Tài liệu Khảo sát tín hiệu điều chế dùng MATLAB, chương 2 pptx

CHƯƠNG 2
ĐIỀU CHẾ ĐƠN BIÊN (SSB: single sideband)
1. Ưu khuyết điểm của điều chế đơn biên:
Ta biết tin tức chỉ chứa trong
biên tần, nên chỉ cần truyền đi một
biên tần là đủ thông tin về tin tức. Quá
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 tin
trước khi truyền đi.
Một số ưu điểm của điều chế
đơn biên (SSB) so với điều biên
(1) Độ rộng dải tần giảm một nữa :
D
SSB
<1/2D
AM
Bởi vậy trong cùng một dải tần
số thì số đài có thể bố trí tăng gấp đôi.
(2) Hiệu suất rất cao đối với điều chế AM:
P
hữu ích
= P
bt
= 1/3P
AM
khi m=1
Đối với điều chế đơn biên P
hữu ích
= P

bt
= P
SSB
.
Xét hệ số lợi dụng công suất :
k
AM
=1/3 và k
SSB
=1 khi m = 1
k
AM
= 1/9 và k
SSB
=1 klhi 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 P
hữu ích
của máy phát điều biên.
(3) Do D
SSB
 2D
AM
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


Như vậy để máy phát AM và SSB có cùng S/N, ta phải tăng P
AM
lên hai lần
(4) Do hiện tượng pha đinh trong truyền sóng mà tần số sóng mang f
0
có thể bò suy
giảm. Đối với máy thu AM có lúc m > 1 sẽ gây méo do quá điều chế. Nếu pha
đinh rất lớn làm mất hẳn tần số sóng mang thì máy thu sẽ không thu được gì. Còn


AM
N/S2
>>
0
f
0
f
0
f
Hình 2
-
1:Phổ của SSB
>>
đối với máy thu SSB pha đinh làm suy giảm hay triệt tiêu tần số sóng mang không
gây ảnh hưởng gì.
(5) Đối với tín hiệu AM trong giải truyền sóng ngắn, do sự phân tán của đặc tuyến
pha mà xẩy 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 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 điều được phát trong một dải biên nên không có hiện tượng chia pha.
(6) 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
sử dụng rất nhiều trong lónh vực quân sự.
Tuy có nhiều ưu điểm nhưng do yêu cầu kỹ thuật khá cao như mạch lọc dải
phải rất hẹp và dốc đứng; việc tạo lại tần số sóng mang f
0
trong máy thu phải rất
chính xác mới không méo tín hiệu… nên máy phát và máy thu hiệu SSB cấu tạo phức
tạp hơn so với máy phát và máy thu AM. Bởi vậy nó chỉ được dùng trong các máy thu
phát thông tin chuyên dụng như trong máy phát thoại và phát tín hiệu nhiều kênh.
Ta có tín hiệu điều chế đơn biên sau đây:
Trong đó:
Trong biểu thức (2-1), m không mang ý nghóa về độ sâu điều chế nữa và
gọi là hệ số nén tải tin.
Đồ thò vecto của tín hiệu đơn biên được biểu diễn trên hình 2-2. Ta thấy, vectơ
đặc trưng cho dao động điều chế đơn biên thay đổi cả về biên độ lẫn góc pha, nghóa là
điều chế đơn biên bao giờ cũng kèm theo điều chế pha. Tải tin bò nén một phần hoặc
bò nén hoàn toàn, do đó vectơ tải tin U
0
có thể nhỏ hơn vectơ biên tần U

. Trong kỹ
thuật truyền hình tín hiệu điều chế video một phần là tín hiệu điều biên (khi f
s

0,75MHz), phần còn lại (0,75 MHz  f
S
 5 MHz) là tín hiệu điều chế đơn biên (hình2-
3). Bằng cách đó giảm được dải tần của tín hiệu điều chế video. Nếu cắt bỏ hoàn toàn

một tín hiệu biên tần thì vấn đề lọc dải sẽ khó khăn, hơn nữa sẽ xuất hiện sai pha.
u
đb
(t) = U
0
2
m
cos (
0
+

) (2-
1)
0
Ω
U
U
=m
F(MHz)
f
th
+5
F
th
+5,5 = f
tt
f
th
f
th

-
0,75
f
th
-
1,75
5,5 MHz
U
ĐB

0


U
0
U

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 của tín hiệu
ra. Nhưng do yêu cầu chất lượng cao nên bộ lọc dải rất phức tạp. Bởi vậy người
ta tạo hai phương pháp tạo tín hiệu SSB khác nhau: phương pháp quay pha và
phương pháp lọc-pha
Nhưng do hai phương pháp này lại tạo ra một số sản phảm không cần thiết như
tần số sóng mang f
0
, dải biên thứ hai
Mặt kác hai phương pháp này không thể tạo ra bộ điều chế có chỉ tiêu
kỹ thuật cao và ổn đònh, bởi vậy nó cũng ít được dùng. Ngày nay phương pháp
tạo tín hiệu SSB đã 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 pháp này được sử dụng rất rộng rãi.
( )
2_2==X
0
min
0
ω
Ω
ω
Δ
a) Điều chế đơn biên theo phương pháp lọc:
Tín hiệu điều
chế V

và tải tin
V

được đưa vào bộ
điều chế cân bằng.
Sau bộ điều chế cân
bằng ta thu được hai
dải biên (DSB). Sau
đó dùng bộ lọc dải ta
sẽ thu đïc biên trên
hoặc biên dưới như
hình 2-4. Nhưng do 
<< 
0
nên 

0
  rất
gần 
0
, vì vậy việc
lọc rất khó khăn. Ta
có tỷ số lọc:

0
:tần số sóng mang.
: khoảng cách giữa
tần số cần lọc và tần
số cho qua.
Ta thấy X càng lớn, càng dễ lọc có nghóa là tần số sóng mang f
0
càng gần tần
số điều chế  càng dễ lọc. Trong thực tế ta chọn tần số trung gian nằm trong khoảng
(100  500MHz) vì ở dải tần số đó ta có bộ lọc thạch anh và bộ lọc cơ điện tốt nhất.
Sau đó để chuyển f
TG
lên tần số tải tin f
0
ta dùng thêm một vài bộ điều chế cân bằng
và bộ lọc dải ở các tần số khác nhau. Mỗi lần lọc thì tỷ số X lớn hơn nên dễ thực
hiện lọc hơn. Phương pháp đó gọi là phương pháp tổng hợp.
b) Phương pháp tổng hợp:
Điều chế cân
bằng
Bộ lọc dải
hẹp


min

max

0
-

max

0
+

min

0
-

max

0
+

min

0

0
-


max

0
-

min
4
3
1
2

0
f
f
f
4
3
2
1
V

0
V

V
SSB
V

,V
o

V
DSB
0
0
0
Hình 2.4: Sơ đồ khối và phổ tín hiệu
của phương pháp lọc
Dao động
n
Dao động
2
Dao động
1
f
1
f
2
f
n
f
0
= f
1
+ f
2
+…+ f
n








ĐCCB
I
Lọc
1
ĐCCB
II
Lọc
2
ĐCCB
n
Lọc
n

Bộ lọc 1 thường là bộ lọc thạch anh hay bộ lọc cơ điện chất lượng cao vì  rất
nhỏ. Tần số sóng mang thứ 2 có f
1
>>f
0
và  = 
1
+ 
min
khá lớn nên dễ lọc hơn. Vì
vậy bộ lọc 2 thường là bộ lọc L, C đơn giản. Nếu f
2
chưa ở trong dải tần số làm việc

thì ta lại dùng tới tần số thứ 2 : dùng bộ điều chế cân bằng 3. Bộ lọc 3 cũng đơn giản
như bộ lọc 2 vì  lớn:
 = 
1
+
2
+ 
min
Cứ thế cho đến khi nào ta đạt được tần số làm việc f
0.
(tần số tải tin)
c) Phương pháp quay pha:
Nguyên tắc tạo tín hiệu đơn biên bằng phương pháp quay pha được minh
họa trên đồ thò vectơ hình 2-6
Tín hiệu âm tần V

và dải tin V
o
trước khi đưa vào bộ ĐCCB II được di pha
một góc 90
0
. Còn tín hiệu âm tần V

và tải tin V
o
được đưa thẳng vào bộ ĐCCB I.
Tín hiệu ở đầu ra của hai bộ ĐCCB sẽ qua bộ tổng (hoặc hiệu) và ở đầu ra của bộ
tổng (hoặc hiệu) là tín hiệu đơn biên SSB như hình 2-7

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

 Ở đầu ra bộ ĐCCB I ta nhận được:
 Ở đầu ra bộ ĐCCB II ta nhận được:
( ) ( )
[
]
tΩ_oωcos+tΩ+oωcos
2
V
V
=V
Ωoω
I
( )
[
]
( )
[
]
{
}
( ) ( ){ }
Ω_oωcos+tΩ+oωcos_
2
VV
=
0+t
Ω_oωcos+180_tΩ+oωcos
2
V
V

=V
Ωoω
00
Ωoω
II




1
2
3
4
I
II


t =

0
3
4
1,2
I
II


t = 0
0
Hình 2-6: Đồ thò vector của dao động điều chế đơn biên theo

phương pháp quay pha
V
SSB
ĐCCB I
ĐCCB
II
Di Pha
90
0
Mạch
tổng
Dao động
tải tin
Di Pha
90
0
V
I
V
II
V

Hình 2-7: Sơ đồ khối mạch điều chế SSB theo phương pháp
quay pha
 Ở đầu ra bộ tổng ta nhận được:
V
SSB
= V
o
V


cos(
0
- )t (2.2)
Đây chính là biên tần dưới của tín hiệu SSB. Nếu ta thay mạch tổng
bằng mạch hiệu ta sẽ nhận được biên tần trên.
Phương pháp này có thể mở rộng cho trường hợp hệ thống điều chế có
số lượng bộ điều chế n
 3, lúc đó sẽ có n mạch quay pha /n.
Biểu thức 2.2 chỉ đúng khi hai bộ ĐCCB hoàn toàn giống nhau để V
I
, V
II
có
biên độ như nhau và hai bộ di pha phải tạo ra di pha chính xác (đúng 90
0
). Nếu không
ở đầu ra ta sẽ thu được cả hai biên tần. Đây là khó khăn lớn vì thực hiện quay pha
chính xác đối với một tín hiệu có dải tần rộng (
min
+ 
max
) không phải đơn giản. Vì
vậy phương pháp này ngày nay ít được sử dụng.
c) Phương pháp lọc và quay pha kết hợp:
 Ta chọn tải tin thứ nhất có tần số dao động : để dễ dàng lọc lấy
thông dưới
 Ở đầu ra bộ ĐCCB I và II ta nhận được:
2
Ω

+
Ω
=ω
maxmin
1
( )
( )
[ ]
( )
[ ]
( )
[ ]
{
}
0
1
0
1
Ω
II
11
Ωω
1
90+tω_Ωcos+90_tω+Ωcos
2
VV
=V
t_cos+tω+Ωcos
2
V

V
=V
1
1
ω
ωΩ
Di pha
90
0
Dao
động

1
Lọc thông
dưới 1
Dao
động

2
Mạch
tổng
V

V
II
V'
II
V'
I
V

III
V
I
V
SSB
Hình 2-8: Sơ đồ khối mạch điều chế SSB theo
phương pháp lọc và quay pha kết hợp
Di pha
90
0
ĐCCB
IV
Lọc thông
dưới 2
ĐCCB
II
ĐCCB
I
ĐCCB
III
 Qua bộ lọc thông dưới 1, 2 ta nhận được:
 Ở đầu ra bộ ĐCCB III và IV ta nhận được:
( )
( )
[
]
0
1
Ωω
II

1
Ωω
1
90+tω_Ωcos
2
VV
='V
t
ω_Ωcos
2
V
V
='V
1
1
   
 
 
 
 
 


    
tωΩωcostωΩωcos
4
VVV
9090t
ωΩωcos9090tωΩωcos
4

VVV
V
t
ωΩωcostωΩωcos
4
VVV
V
1212
Ωωω
00
12
00
12
Ωωω
IV
1212
Ωωω
III
21
21
21



 Ở đầu ra bộ tổng ta nhận được:
Đây 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 không cần dùng mạch quay pha đối
với tín hiệu điều chế nên dễ thực hiện hơn.
Phổ của tín hiệu đơn biên và đồ thò vectơ của nó theo phương pháp lọc – quay pha kết
hợp được biểu diễn trên hình 2-9.

3. Ví dụ minh họa:
Cho tín hiệu tải tin: V
0
(t) = 10 cos (6*10
6
) t
Và tín hiệu diều chế: V

(t) = 5 cos (3*10
4
) t.
Hãy viết biểu thức của tín hiệu điều chế đơn biên ở đầu ra V
SSB
trong trường
hợp dùng phương pháp quay pha và vẽ dạng tín hiệu V
SSB
đó.
Giải:
- Biểu thức của tín hiệu điều chế đơn biên:
   
42tcos
4
VVV
V
12
Ωωω
SSB
21

f

Smin
f
t1
f
t2
f
t1
+ f
t2
S(f)
S(f)
S(f)
S(f)
f
Smin
f
Smax
f
t1
f
f
f
f
a)
b)
c)
d)
Hình 2-9: Phổ và đồ thò vectơ của dao động điều chế đơn
biên theo phương pháp lọc – quay pha kết hợp.
a) Phổ của tín hiệu điều chế;

b) Phổ tín hiệu ra trên bộ ĐCCB I;
c) Phổ tín hiệu ra bộ lọc;
d) Phổ tín hiệu ra mạch hiệu
 
)cos(t)cos(
2
VV
V
00
0
I








t10*597cost10*603cos
2
50
V
44
I

 
)cos(t)cos(
2
VV

V
00
0
II








t10*597cost10*603cos
2
50
V
44
II

V
SSB
(t) = V
I
+V
II
= 50 cos (597*10
4
) t
- Mô phỏng dạng tín hiệu điều chế đơn biên:
f=597*pi*10^4;

T=1/f;
t=0:T/50:30*T;
V=50*cos(f*t);
plot(t,V)
title('DC-SSB')
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
x 10
-6
-50
-40
-30
-20
-10