CHương 6 - Điều chế biên độ, điều tần, điều pha.

04/14/14 1
®iÒu chÕ
iÒu chÕ biªn ®é (AM)Đ
iÒu tÇn (FM)Đ
iÒu pha (PM)Đ
04/14/14 2
Khái niệm

iều chế là quá trỡnh ghi tin tức vào dao động cao tần
nhờ biến đổi một thông số nào đó nh biên độ, tần số hay
góc pha của dao động cao tần theo tin tức.

Tin tức đ ợc gọi là tín hiệu điều chế

Dao động cao tần đ ợc gọi là t i tin hay t i tần

Dao động cao tần mang tin tức gọi là dao động cao tần đã đ ợc
điều chế

Thông qua điều chế, tín tức ở miền tần số thấp đ ợc
chuyển lên vùng tần số cao để bức xạ truyền đi xa.

ối với ti tin điều hoà ta chia ra 2 loại điều chế:

iều biên (AM)

iều chế góc ( gồm điều tần và điều pha
04/14/14 3
iều chế biên độ (AM)

ịnh nghĩa : iều biên là quá tr ỡnh làm cho biên độ

t i tin biến đổi theo tin tức.

Dạng sóng của tín hiệu điều biên
04/14/14 4
Phổ của tín hiệu điều biên

Gi thiết tin tức U
S
và t i tin U
t
đều là tín hiệu điều hoà

Tần số tin tức biến thiên từ

Smin

ữ



Smax

Biểu thức của tín hiệu điều biên:

Hệ số điều chế ph i tho mãn điều kiện m

1 nếu
không tín hiệu điều biên sẽ bị méo.

Biến đổi công thức trên đ ợc:

tUtUs
tUtU
SS
ttt
.cos.)(
.cos.)(


=
=
ttmUttUUU
tSttSStdb

cos).cos1(cos).cos.( +=+=
Trong đó:
t
S
U
U
m =
là hệ số điều chế
t
Um
t
Um
tUU
St
t
tS
t

ttdb
)cos(.
2
)cos(.
2
cos

+++=
04/14/14 5
Phæ cña tÝn hiÖu ®iÒu biªn

TÝn hiÖu ® îc ®iÒu biÕn biªn ®é gåm 3 thµnh phÇn:

U
t
.cos(ω
t
t): Sãng mang

m/2. U
t
.cos(ω
t
-ω
s
)t: D i b ng thÊpả ă

m/2. U
t
.cos(ω

t
+ω
s
)t: D i b ng caoả ă
04/14/14 6
Đå thÞ thêi gian cña tin tøc vµ tÝn
hiÖu ®iÒu biªn khi m>1 vµ m< 1
04/14/14 7
Quan hệ nng l ợng trong điều chế
biên độ

Trong tín hiệu điều biên, các biên tần chứa tin tức còn t i tin không mang
tin tức

Công suất của t i tin: Là công suất trung b ỡnh trong một chu kỳ t i tin

Công suất biên tần:

Công suất của tín hiệu điều biên: là công suất trung bình trong một chu kỳ
của tín hiệu điều chế:
P
đb
= P
t
+ 2P
bt
= P
t
(1+m
2

/2)

Quan hệ công suất gia 2 biên tần và t i tin:
2P
bt
= m
2
P
t
/2

Mà để tín hiệu điều biên không bị méo thỡ m < 1

công suất của 2 biên tần
nhỏ hơn so với công suất t i tin (max = Pt /2)

phần lớn công suất phát
xạ đ ợc phân bố cho t i tin còn công suất của tin tức chiếm phần nhỏ

nh
ợc điểm của điều biên so với đơn biên.
P
t

2
2
1
t
U
P

bt

2
2
.
2
2








t
Um
04/14/14 8
Mạch điều biên

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

Dùng các phần tử phi tuyến (Diode, Transistor):
cộng t i tin và tín hiệu điều chế trên đặc tuyến của
phần tử phi tuyến đó.

Dùng phần tử tuyến tính có tham số điều khiển đ ợc:
nhân t i tin và tín hiệu điều chế nhờ phần tử tuyến
tính đó.

04/14/14 9
Các kiểu mạch điều biên

iều biên đơn: Chỉ dùng một phần tử tích cực nh diode hoặc transistor

Mạch điều biên cân bằng: gi m đ ợc méo phi tuyến. Có thể dùng diode hoặc
transistor.

Mạch điều biên vòng: thực chất là 2 mạch điều biên cân bằng có chung t i.
04/14/14 10
Mạch điều biên đơn (dùng 1 diode)

Do diode là phần tử phi tuyêbs nên khi có 2 tín hiệu
đặt vào diode sẽ có các thành phần hài bậc 1, 2, 3,

iện áp đặt nên diode là:
U
D
= U
t
cos

t
t + U
S
.cos

S
t

Dòng điện qua diode đ ợc biểu diễn theo chuỗi Taylor
nh sau:
i
D
= a
1
. u
D
+ a
2
. u
D
2
+ a
3
. u
D
3
+

Thay biểu thức U
D
vào ta đ ợc:
i
D
= a
1
.(U
t
cos

t
t+Uscos

s
t) + a
2
.
(U
t
cos

t
t+Uscos

s
t)
2
+ a
3
. (U
t
cos

t
t+Uscos

s
t
)3+

Chỉ lấy 3 số hạng đầu tiên ta có i
D
theo công thức
sau:
I
D
= A.cos

t
t +B.cos 2

t
t + C.cos3

t
t + A .cos

S
t
+B .cos 2

S
t + C .cos3

S
t + D.
Udb
Us
Ut

Sơ đồ mạch
U
t
: t i tin
U
S
: Tin tức
U
đb
: Tín hiệu điều biên
i
D
gồm các thành phần tần số:

S
2
S
3
S
.

t
2
t
3
t


t

S

t
2
S

t
3
S

2
t

S
2
t
2
S
2
t
3
S

04/14/14 11
Mạch điều biên đơn (dùng 1 diode)

Phổ của tín hiệu điều biên nh sau:

ể lấy ra tín hiệu điều biên

dùng bộ lọc có tần số trung tâm là

t
và d i
thông

2

S.

Thực tế ta thu đ ợc c hài bậc 2 (

t


2

S
)

quy luật biên độ không ph i
là hỡnh sin

tạo méo không đ ờng thẳng.

Nh ợc điểm cơ b n của điều biên đơn 1 diode là méo không đ ờng thẳng lớn.
04/14/14 12
Mạch điều biên cân bằng
(dùng 2 diode)

Sơ đồ mạch

iện áp trên các diode là:

U
D1
= U
S
+ U
t

U
D2
= - U
S
+ U
t

D1 và D2 giống hệt nhau. Dòng điện qua điốt khai
triển theo chuỗi Taylor:
hay
Dòng điện qua t i

Trong đó các hệ số : A = 2a
1
.U
mS
; B = 2a
2
.U

mS
U
mt
Rt
Ut
I
D2
D1
-Us
Us





+++++=
+++++=
)()(
)()(
2
212
2
211
tStSoD
tStSoD
UUaUUaaI
UUaUUaaI

++++=
++++++=
2
2
2
2
2
2
2112
2
2
2
2
2111
tSt
S
tSoD
tSt
S
tSoD
UUaUaUaUaUaaI
UUaUaUaUaUaaI
[ ]
tBtBt
ttUUatUa
ttUUatUaI
UUaUaIII
tStSS

tStSmtmSSmS
tSmtmSSmS
tSSDD
)cos()cos(A.cos
)cos()cos(2cos2
coscos4cos2
42
21
21
2121



+++=
+++=
++=
++==
Nếu tính đến các thành phần bậc 3
của đặc tuyến diode U
3
D
thỡ ta có
thêm các thành phần:

t
3
S
; 2
t

S
; 3
t
3
S

04/14/14 13
Mạch điều biên cân bằng
(dùng 2 diode)

ồ thị phổ

ể lấy đ ợc tín hiệu điều biên dùng bộ lọc có tần số trung tâm là

t
và độ rộng

2

S
.

Sau khi lọc, tín hiệu lấy ra có 2 biên tần

t




S

, không có thành
phần sóng mang

ph i cộng thêm tần số sóng mang sau điều biên.

Do thành phần ra không có thành phần bậc 2, thành phần bậc 3 có
biên dộ nhỏ

méo phi tuyến rất thấp

u điểm so với mạch điều
biên đơn.
04/14/14 14
M¹ch ®iÒu biªn c©n b»ng
(dïng 2 Transistor)

C¸c tÝnh chÊt gièng m¹ch ®iÒu chÕ c©n b»ng dïng diode nh ng biªn ®é ra lín h¬n
nhiÒu do tÝnh khuÕch ®¹i cña transistor .
+
Vcc
T1
T2
Rt
Ut
I
-Us
Us
04/14/14 15
M¹ch ®iÒu biªn vßng
S¬ ®å ®iÒu biªn vßng


M¹ch ®iÒu biªn vßng lµ kÕt hîp cña m¹ch ®iÒu
chÕ c©n b»ng

I
1
: lµ dßng c m øng do D1 vµ D2 g©y ra trªn t iả ả

I
2
: lµ dßng c m øng do D1 vµ D2 g©y ra trªn t iả ả

I
1
® îc tÝnh t ¬ng tù nh trong m¹ch ®iÒu biªn c©n
b»ng

TÝnh I
2

Ta cã: U
D3
= - US – Ut
U
D4
= U
S
– Ut

TÝnh t ¬ng tù nh phÇn tÝnh I

1
ta ® îc:

Dßng ch¹y qua t i:ả
D2
D1
C2
C1
U
S
U
t
U
®b
D
3
D
4
tBtBtI
tStSS
)cos()cos(A.cos
1
ωωωωω
−+++=
tBtBtIII
tStSSDD
)cos()cos(A.cos-
432
ωωωωω
−+++=−=

tBtBIII
tStS
)cos(2)cos(2
21
ωωωω
−++=+=
04/14/14 16
Mạch điều biên vòng

Phổ tín hiệu điều biên vòng

Nhận xét:

Thành phần tín hiệu ra chỉ có 2 biên tần của tín hiệu điều biên không
cần dùng bộ lọc

So với điều biên cân bằng thỡ điều biên vòng có biên độ t ng gấp đôi

Giống điều biên cân bằng, tín hiệu ra không có thành phần sóng
mang muốn có thỡ cộng thêm sau điều chế.

iều biên vòng thực chất cũng là mạch nhân 2 đại l ợng

t
-
s

t
+
s

04/14/14 17
Mạch điều chế đơn biên

iều chế đơn biên là quá tr ỡnh điều chế nhằm tạo ra một
gi i biên tần

Ưu điểm của điều chế đơn biên:

ộ rộng d i tần gi m một nửa

Công suất bức xạ yêu cầu thấp hơn vỡ không cần t i tin

Tạp âm phía thu gi m do d i tần gi m một nửa.

Tuy nhiên điều chế đơn biên sẽ phức tạp và tốn kém hơn.

Biểu thức của điều chế đơn biên

(m = U
mS
/U
mt
) : h s nộn t i tin

Ta thấy tín hiệu đơn biên vừa biến đối về biên độ, vừa biến đổi về
góc pha
tU
m
t
U

U
tSmttS
mS
db
)cos(
2
)cos(
2

+=+=
04/14/14 18
C¸c ph ¬ng ph¸p ®iÒu chÕ ®¬n biªn

Ph ¬ng ph¸p läc

Ph ¬ng ph¸p quay pha

Ph ¬ng ph¸p läc vµ quay pha kÕt hîp
04/14/14 19
Ph ơng pháp lọc

Ph c a tớn hi u i u biờn

Việc tạo bộ lọc nh trên rất khó thực hiện vỡ

t
và (

t
+

s
) rất
lớn

d i thông rất rộng.

Khắc phục bằng cách dùng điều biên cân bằng hoặc điều biên
vòng. Khi đó không có thành phần t i tin

việc lọc dễ dàng
hơn, tuy nhiên cũng không thể loại bỏ đ ợc biên tần d ới (

t
-

s
)

khắc phục dùng điều biên vòng cân bằng 2 lần.
04/14/14 20
Ph ơng pháp lọc

Sơ đồ khối

iều biên vòng lần 1:Sau bộ lọc lấy biên tần trên

đ ợc biên tần (f
t1
+ f

S
)

iều biên vòng lần 2: Sau khi lọc lấy biên tần trên

đ ợc biên tần : (f
t1
+f
t2
+
f
S
) = f
t
+ f
S

Tần số t i tin của tín hiệu điều chế đơn biên sẽ bằng tổng tần số t i tin 1 và
tần số t i tin 2.
04/14/14 21
Ph ơng pháp lọc

Phổ tín hiệu tại các điểm a, b, c, d trên sơ đồ bộ điều chế
đơn biên dùng điều biên vòng cân bằng 2 lần:
04/14/14 22
Ph ơng pháp lọc

Nhận xét:

Do f

t1
nhỏ (f
t1
+ f
S
) cũng nhỏ d i thông của bộ lọc 1 sẽ nhỏ có
thể loại đ ợc biên tần d ới (f
o
càng lớn thỡ d i thông của bộ lọc càng lớn)

Khi điều biên vòng lần 2 biên tần d ới cách biên tần trên rất xa =
2(f
t1
+ f
S
) bộ lọc 2 dễ dàng tách đ ợc biên tần d ới.
04/14/14 23
Ph ¬ng ph¸p quay pha

S¬ ®å khèi ph ¬ng ph¸p quay pha

Hai tÝn hiÖu U
t
, U
S
® îc trùc tiÕp ® a vµo ®iÒu biªn vßng 1

Hai tÝn hiÖu U
t
vµ U

S
® îc quay pha råi ® a vµo ®iÒu biªn vßng 2

TÝn hiÖu ra cña ®iÒu biªn vßng 1 vµ 2 ® îc trõ cho nhau  tÝn hiÖu ra sÏ
lµ tÝn hiÖu ®iÒu chÕ ®¬n biªn.
04/14/14 24
Ph ¬ng ph¸p quay pha

Giả sö:

U
S
(t) = U
mS
.cosω
S
t

U
t
(t) = U
mt
.cosω
t
t

tÝn hiÖu sau khi quay pha 90
0
lµ:


U
S
(t)
90
= U
mS
.sinω
S
t

Ut(t)
90
= U
mt
.sinω
t
t

TÝn hiÖu sau khi qua bé ®iÒu biªn vßng 1:

TÝn hiÖu sau khi qua bé ®iÒu biªn vßng 2:

TÝn hiÖu sau khi qua m¹ch trõ:
U
®b

®¬n
(t) = U
®b1
U–

®b2
= Acos(
ω
t
+
ω
S
).t
[ ]
tt
A
tUUtUU
ttUUU
tStS
tSmtmStSmtmS
tSmtmSdb
)cos()cos(
2
)cos(
2
1
)cos(
2
1
coscos
1
ωωωω
ωωωω
ωω
−++=

−++=
==
[ ]
tt
A
tUUtUU
ttUUU
tStS
tSmtmStSmtmS
tSmtmSdb
)cos()cos(
2
)cos(
2
1
)cos(
2
1
sinsin
2
ωωωω
ωωωω
ωω
−++−=
−++−=
==
04/14/14 25
Ph ơng pháp quay pha

Nhận xét:

Do tín hiệu ra chỉ có 1 thành phần biên tần không cần ph i lọc

ể tín hiệu ra của 2 bộ điều biên vòng bằng nhau về giá trị tuyệt
đối yêu cầu 2 bộ điều biên vòng ph i hoàn toàn giống nhau.

Ph i đ m b o góc quay pha đúng:

Quay pha t i tin rất dễ v ỡ là tín hiệu điều hoà

Tín hiệu điều chế th ờng là một d i tần rất khó thực hiện
quay pha 90
0
trong d i tần đó .

ph ơng pháp này chỉ thực hiện điều chế tín hiệu điều hoà
(hỡnh sin)

khắc phục bằng ph ơng pháp lọc và quay pha kết hợp.