Hệ thống thông tin trong hệ thống điện

3


Lêi nãi ®Çu

Hệ thống điện ngày càng phát triển, yêu cầu về quản lý chế độ đối với
chúng càng cao nhằm đảm bảo chất lượng điện trong mọi tình huống. Muốn
được như vậy trước hết phải truyền các thông tin về cấu trúc hệ thống cũng
như các thông số chế độ. Từ các thông tin thu nhận được tại trung tâm điều
thực hiện tính toán để rồi đưa ra các lệnh điều khiển hợp lý chính xác và
nhanh.
Cuốn sách “ Hệ thống thông tin trong hệ thống điện “ nhằm trợ giúp
cho sinh viên, kỹ sư vận hành hệ thống điện những kiến thức cơ bản các tín
hiệu, hệ thống thông tin, biến đổi tín hiệu, các nguyên lý ghép kênh cũng như
giới thiệu các hệ thống thông tin như : Hệ thông tin vi ba, Hệ thông tin sợi
quang, Hệ thông tin tải ba, Hệ thống HTC tổng hợp. Ngoài ra cuốn sách còn
trình bày một số hệ thông tin đo lường và điều khiển trong công nghiệp hiện
nay.
Nội dung cuốn sách gồm tám chương chính như sau:
Chương một: Tổng quan về các tín hiệu và hệ thống thông tin.
Chương hai: Giới thiệu về biến đổi tín hiệu.
Chương ba: Giới thiệu các nguyên lý ghép kênh.
Chương bốn: Giới thiệu hệ thông tin vi ba.
Chương năm: Giới thiệu hệ thông tin sợi quang.
Chương sáu: Giới thiệu hệ thông tin tải ba.
Chương bảy: Giới thiệu hệ thống HTC tổng hợp.
Chương tám: Giới thiệu một số hệ thống thông tin đo lường và điều
khiển trong công nghiệp hiện nay.

4

Cuốn sách “ Hệ thống thông tin trong hệ thống điện “ được dùng chủ
yếu cho sinh viên ngành Hệ thống điện, Công nghệ thông tin, đồng thời là tài
liệu tham khảo cho kỹ sư vận hành hệ thống điện, vận hành các hệ thống
thông tin.
Tập thể tác giả xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, các cán bộ
giảng dạy tại trường Đại học Điện lực đã tận tình giúp đỡ để hoàn thành
cuốn sách này.
Rất mong sự đóng góp của các độc giả để cuốn sách ngày một hoàn
thiện hơn. Các ý kiến đóng góp xin gửi về khoa Hệ thống điện, trường Đại
học Điện lực.
Tel (04)22185612. Emai:hoapv@.epu.edu.vn
Xin chân thành cảm ơn.
Thay mặt tập thể tác giả
PGS-TS PHẠM VĂN HÒA















5

DANH MỤC CÁC CHƯ VIẾT TẮT
AM Amplitude Modulation Điều biên
BW Bandwich Dải thông của tín hiệu
CAMAC Computer Application for
Measurement And Control
Máy tính phục vụ cho đo
lường và điều khiển
CC Coupling capacitor Tụ ghép nối
CD Coupling Device Thiết bị ghép nối
DCS Distributed Control System hệ thống điều khiển phân tán
DSB Double Side Band Dải biên kép
FAX Máy Facsimile
FCS Field Control Station Trạm điều khiển hiện trường
FDM Frequency Divison
Mutiplexing
Ghép kênh theo tần sô
FM Frequency Điều tần
HIS Human Interface Station Giao thức người-máy
HV High Voltage Điện áp cao thế
IIT Industrial Information
Technology
Hệ thống thông tin công
nghiệp
IIS Intergrated Information System Hệ thống thông tin tích hợp
LSB Lower Side Band Các giải biên dưới
LT Line Triap Cuộn cảm ( cuộn bẫy sóng)
M Modem Giao diện
PAM Pulse Amplitude Modulation Điều biên xung

PAX Thiết bị chuyển mạch
PC Personal Computer Máy tính các nhân
PCM Pulse Code Modulation Điều chế mã xung
PLC Power Line Carrier Thiết bị thông tin tải ba
PLC Programable Logic Controler Bộ vi điều khiển lập trình

6
PM Phase Modulation Điều pha
RTU Remote Terminal Unit Thiết bị đầu cuối
SCADA Supervisory Control And Data
Acquisition
thống điều khiển giám sát và
thu thập số liệu
RP Rele Protection Bảo vệ rơ le
SSB Single Side Band Dải biên đơn
TDM Time Divison Mutiplexing Ghép kênh theo thời gian
TIA Totally Integrated Automation Tự động tích hợp toàn diện
USB Upper Side Band Các dải biên trên

7




Ch¬ng 1
TỔNG QUAN VỀ CÁC TÍN HIỆU
VÀ HỆ THỐNG THÔNG TIN

§1.1 CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1.1.1 Nguồn tin nguyên thủy
Nguồn tin nguyên thủy là tập hợp những tin tức nguyên thủy chưa qua một
phép biến đổi nhân tạo nào ví dụ như: tiếng nói, âm nhạc, hình ảnh v.v Như
vậy tin tức được sinh ra nhờ các nguồn tin nguyên thủy.
1.1.2 Tín hiệu thông tin
Tín hiệu thông tin là dạng vật lý chứa đựng tin tức và truyền lan trong hệ
thống thông tin từ nơi gửi đến nơi nhận tin. Để cho đơn giản ta sẽ gọi tắt tín
hiệu thông là tín hiệu. Có thể phân loại tín hiệu như sau:
- Tín hiệu xác định: là tín hiệu mà quá trình biến thiên của nó được biểu

diễn bằng một hàm thời gian đã hoàn toàn xác định. Biểu thức giải tích hay
đồ thị thời gian của tín hiệu xác định là hoàn toàn được biết trước.
Ví dụ : s(t) = A sin (ωt + φ) là tín hiệu hình sin có biên độ A, tần số
góc ω và góc pha φ là 1 tín hiệu xác định.
- Tín hiệu ngẫu nhiên: là tín hiệu mà quá trình biến thiên của nó không
thể biết trước. Giá trị của tín hiệu ngẫu nhiên ở từng thời điểm là không biết
trước.

8
Ngoài cách phân loại như trên ta còn có thể chia các tín hiệu ra thành 2
nhóm là tín hiệu liên tục và tín hiệu rời rạc: Tín hiệu được gọi là liên tục nếu
sự thay đổi của nó là liên tục, còn nếu ngược lại tín hiệu là rời rạc.
Cụ thể hơn , có thể phân ra làm 4 loại sau đây:
- Tín hiệu có biên độ và thời gian liên tục gọi là tín hiệu tương đương
(analog).
- Tín hiệu có biên độ rời rạc, thời gian liên tục gọi là tín hiệu lượng tử.
- Tín hiệu có biên độ liên tục, nhưng thời gian rời rạc gọi là tín hiệu rời
rạc.
- Tín hiệu có biên độ và thời gian đều rời rạc gọi là tín hiệu số(digital).
1.1.3 Hệ thống thông tin
Hệ thống thông tin là tổ hợp các thiết bị kỹ thuật, các kênh tin để truyền
tin tức từ nguồn tin đến nơi nhận tin.
Cấu trúc tổng quát nhất của một hệ thống thông tin như trên hình 1.1






Hình 1.1-Cấu trúc tổng quát hệ thống thông tin

Các khối trên hính 1.1 được mô tả như sau :
- Nguồn tin: là tập hợp các tin mà hệ thống thông tin phát ra.
- Kênh tin: là nơi hình thành và truyền tín hiệu mang tin đồng thời ở dấu
xảy ra các tạp nhiễu tin tức.
- Thu tin: là cơ cấu phục hồi tin tức ban đầu từ tín hiệu lấy từ đầu ra của
kênh tin.
1.1.4 Đơn vị thông tin
Đơn vị nhỏ nhất của thông tin là bit (binary digit). Một bit là dung lượng
của một nguồn tin có trạng thái có thể ( thông thường quy ước là 0 hoặc 1).
Các đơn vị bội số của bit như:
1 byte (B) = 8 bit
Nguồn tin Kênh tin
Thu tin
Nhiễu

9
1 Kbyte(KB) = 1024 byte
1 Mbyte (MB) = 1024 Kbyte
1 Gbyte (GB) = 1024 Mbyte
§1.2 CÁC ĐẶC TRƯNG CƠ BẢN CỦA TÍN HIỆU XÁC ĐỊNH
Ký hiệu s(t) là biểu thức thời gian của tín hiệu xác định và chúng có các
thông số đặc trưng như sau:
1. Độ dài và trị trung bình của tín hiệu
- Độ dài của tín hiệu s(t) là thời gian tồn tại tín hiệu đó kể từ lúc nó bắt
đầu xuất hiện cho đến khi chấm dứt. Thông số này quy định thời gian mà hệ
thống thông tin bị mắc bận trong việc truyền đi tin tức chứa trong tín hiệu.
- Nếu độ dài của một tín hiệu xuất hiện vào thời điểm t
0
là


, thì trị
trung bình của nó theo thời gian bằng :
0
0
( ) ( )
1
t
t t
t
s s dt





(1.1)
2. Năng lượng công suất và trị dụng của tín hiệu
- Năng lượng Es của tín hiệu s(t) là tích phân của bình phương tín hiệu
trong suốt thời gian tồn tại của nó:
0
0
2
( )
t
s t
t
E s dt





(1.2)
Với định nghĩa của năng lượng như vậy, ta coi tín hiệu có tính chất như
điện áp, dòng điện hay các đại lượng tương tự khác.
- Công suất trung bình của tín hiệu

dt)t(s
1
)t(s
0
0
t
t
22




(1.3)


10
trong đó biểu thức s
2
(t) được gọi là công suất tức thời của tín hiệu. Như
vậy công suất trung bình của tín hiệu chính là trị trung bình của công suất tức
thời.
- Trị hiệu dung của tín hiệu là căn bậc hai của công suất trung bình:
0
0

2
( )
1
t
hd t
t
s s dt





(1.4)
3. Dải động của tín hiệu: là tỉ số các giá trị cực đại và cực tiểu của công
suất tức thời của tín hiệu. Thường thông số này được đo bằng đơn vị lôgarit (
ben hay đêxiben):

ax
min
2
( )
( )
2
( ) ( )
ax
10lg 20lg
min
m
t
t

dB
t t
s
s m
D
s s
 
(1.5)

Thông số này đặc trưng cho khoảng cường độ mà tín hiệu sẽ tác động
lên các thiết bị
4.Tỉ số tín hiệu / nhiễu S/N (signalto noise ratio):

S
N
P
S
N P

 
(1.6)
trong đó Ps là công suất tín hiệu, PN là công suất nhiễu.
Tỉ số S/N cũng còn có thể viết dưới dạng mức tín hiệu:
10lg 10lg ( )
S
N
P
dB
P



(1.7)
5. Dải thông của tín hiệu BW ( Bandwich): là hiệu giữa các giới hạn tần số
của dải chứa các thành phần tần số hữu ích của 1 tín hiệu.
Ví dụ: có thể xem tiếng nói con người có dải tần số nằm trong khoảng từ
f1= 300 Hz đến f2= 3000 Hz. Khi đó giải thông: BW= f2 - f1 = 3000-300
=2700Hz.
Các tín hiệu có dải thông lớn thì rõ ràng là nên được truyền đi ở các tần
số cao để có lợi hơn (tránh giao thoa với các tín hiệu khác).

11
§1.3 PHƯƠNG PHÁP PHỔ
Phương pháp này cho phép xác đình cách truyền tín hiệu cùng với độ
biến dạng cho phép qua các mạch điện có dải tần số bị giới hạn, ví dụ như
các mạch và thiết bị có dải tần số làm việc hẹp, các bộ lọc điện, các bộ
khuếch đại, các bộ biết đổi, các kênh tin .v.v Cơ sở của phương pháp phổ
là sự khai triển các hàm số tuần hoàn vào chuỗi Fuariê.
Giả sử có tín hiệu s(t) tuần hoàn với chu kỳ T, s(t)= s (t+nT) với mọi số
nguyên n) đồng thời s(t) thỏa mãn các điều kiện Đirichlê ( bị chặn, liên tục
từng đoạn, có số hữu hạn các điểm cực trị trong mỗi chu kì).
Khi đó tín hiệu s(t) có thể biểu diễn được dưới dạng chuỗi Fuairê phức:





k
tjk
k
eAts


)(
(1.8)
trong đó:

2
T


 - Tần số góc cơ bản, (1.9)

k
j
k
2
T
2
T
tjk
k
ecdte).t(s
T
1
A







(1.10)
Là biên độ phức .

Số hạng
k
A

gọi là thành phần điều hòa bậc k của tín hiệu s(t),
c
k
là môdun của biên độ phức A
k
,
Tập hợp



k
k
c
gọi là phổ biên độ của tín hiệu s(t).

k

là pha ban đầu của biên độ phức
k
A


Tập hợp






k
k
gọi là phổ pha của tín hiệu s(t).
Nếu biết phổ pha và phổ biên độ ta có thể thấy rằng tín hiệu tuần hoàn với
chu kỳ


T
. Khi đó nếu s(t) cũng thỏa mãn các điều kiện Đirichlê thì ta
cũng được biểu diễn của tín hiệu không tuần hoàn s(t) dưới dạng tích phân
Fuairê:

12





 de).(S)t(s
tj
(1.11)
Là phép biến đổi Fuarie ngược.
trong đó:







 de).(S
2
1
)t(s
tj
(1.12)
gọi là phổ của tín hiệu không tuần hoàn s(t) (Phép biến đổi Fuairê thuận).
Nếu biết phổ S(ω) ta hoàn toàn có thể xác định được tín hiệu không hoàn
toàn s(t). Nói chung phổ S(ω) là hàm phức:





)(jQ)(P)t(sImj)t(sRee.)t(s)t(s
)(j






(1.13)
P(ω) - Phổ thực của tín hiệu s(t)
Q(ω) - Phổ ảo của tín hiệu s(t)

)t(s

- Phổ biên độ của tín hiệu s(t),
)(Q)(P)t(s
22


(1.14)

φ(ω) - phổ pha của tín hiệu s(t),

)17.1(
)(Q)(P
)(P
)(cos
)16.1(
)(Q)(P
)(Q
)(sin
)15.1(
)(P
)(Q
)(tg
22
22











Từ trên ta nhận thấy các tín hiệu tuần hoàn sẽ có phổ vạch (phổ rời rạc),
còn các tín hiệu không tuần hoàn sẽ có phổ liên tục.

§1.4 NHIỄU TRONG CÁC HỆ THỐNG THÔNG TIN
Nhiễu là từ dùng để chỉ tất cả các loại tín hiệu không có ích tác động lên
các tín hiệu có ích, gây khó khăn cho việc thu và xử lý tín hiệu này. Nhiễu
gây nên các sai số cũng như làm biến dạng tín hiệu. Nếu ta truyền 1 tín hiệu

13
s(t) đến đầu vào của kênh tin, thì trên đầu ra ta sẽ thu được nói chung không
phải là tín hiệu s(t) mà là:
x(t) = n(t). s(t) + c(t),
trong đó: n(t) gọi là nhiễu nhân, c(t) gọi là nhiễu cộng.
Nhiễu cộng c(t) không phụ thuộc vào tín hiệu và gây ta bởi các trường
ngoài (điện trường, từ trường, trường điện từ, trường âm thanh v.v )
Nhiễu nhân bị gây bởi sự thay đổi hệ số truyền của kênh tin. Nhiễu nhân
thường thấy trong khi truyền các tín hiệu vô tuyến ở sóng ngắn.
Theo nguồn gốc, nhiễu có thể được phân ra 2 nhóm: nhiễu khí quyển và
nhiễu công nghiệp.
Nhiễu khí quyển (hay có tài liệu gọi là nhiễu tự nhiên) gây ra do hoạt
động của các hiện tượng trong khí quyển như giông, bão, sấm, chớp.v.
v (thông thường ở tần số thấp). Trong thời gian giông, bão, sấm, chớp,
trong máy thu radio thỉnh thoảng nghe thấy những tiếng lạo xạo mạnh, đặc
biệt khi làm việc ở sóng dài. Nhiễu khí quyển không ảnh hưởng đến các dải
sóng ngắn là dải sóng được dùng nhiều trong thông tin vô tuyến điện. Ngoài

ra nhiễu khí quyển còn sinh ra do bức xạ của các nguồn ngoài trái đất mà
mạnh nhất là do bức xạ của mặt trời. Các bức xạ này làm ảnh hưởng đến lớp
iôn hoá trong tầng cao của khí quyển, làm thay đổi điều kiện truyền lan của
các sóng ngắn, và do đó ảnh hưởng đến thông tin ở dải sóng này. Hơn nữa
phần lớn năng lượng bức xạ nằm trong miền tần số siêu cao (các dải sóng
centimet và đêximet) và được các máy thu vô tuyến làm việc ở các dải sóng
này trực tiếp thu lấy dưới dạng nhiễu.
Nhiễu công nghiệp là nhiễu do các thiết bị điện có thể gây ra như: các
động cơ điện có thanh góp, các dụng cụ điện dùng trong gia đình, các thiết bị
điện dùng trong y tế, các thiết bị công nghiệp ở tần số cao (lò đúc và tôi cao
tần, lò sấy cao tần,.vv ) các nhiễu phiền phức nhất do hệ thống đánh lửa
trong các động cơ đốt trong gây ra, và cuối cùng các chuông điện (với rơle
đóng mở) cũng là nguồn nhiễu mạnh. Bản chất của nhiễu công nghiệp là khi
các thiết bị điện kể trên khi làm việc sẽ sinh ra bức xạ điện từ mạnh. Các

14
bức xạ điện từ này có thể là những kích thích đột biến các dao động tắt dần
do sự tạo thành tia lửa gây ra. Chúng cũng có thể tạo thành các dao động cao
tần không suy giảm (ví dụ như trong các lò điện cao tần). Để chống các
nhiễu trong công nghiệp, cần phải dùng các bộ khử các bức xạ điện từ, dập
tắt các tia lửa sinh ra trong các thiết bị mà trong đó chúng không giữ nhiệm
vụ chủ yếu. Các thiết bị tần số cao phải được chế tạo đúng đắn để giảm sự
bức xạ đến cực tiểu và nếu cần phải bọc kim cho thiết bị.
Nhiễu khí quyển và nhiễu công nghiệp được gọi là ngoài hay can nhiễu.
Ngoài ra còn nhiễu trong là nhiễu ngay trong bản thân hệ thống thông tin do
bản thân các thiết bị sinh ra trong quá trình làm việc, như do hiệu ứng nhiệt,
do sự thăng giáng của các đại lượng vật lý vv Nhiễu trong còn được gọi là
tạp âm.
Chất lượng của tín hiệu có thể được đo bằng tỷ số S/N (tín hiệu/nhiễu)
biểu diễn bởi đơn vị dB.

15




Ch¬ng 2
BIẾN ĐỔI TÍN HIỆU

§2.1. SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ CHUNG CỦA MỘT HỆ THỐNG
THÔNG TIN (HTTT) TRUYỀN TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ

Mỗi HTTT có nhiệm vụ truyền tin tức từ nơi phát đến nơi nhận tin. Dưới
đây là sơ đồ nguyên lý chung của một HTTT truyền tín hiệu tương tự:


















Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý chung của 1 HTTT
Các khối trong sơ đồ hình 2.1 được mô tả như sau :
Nguồn
Biến đổi
Tin tức – tín hiệu
Máy phát
- Điều chế
- Khuyếch đại
- (anten phát)
Nhận

Biến đổi
Tin tức – tín
hi
ệu

Máy thu
- (Anten thu)
- Khuyếch đại
- Giải điều chế
Kênh
Tín hiệu
đi
ện

Tín hiệu
ban đ
ầu

Tín hiệu
điện tần
th
ấp

Tin tức

16
- Nguồn tin là nơi cung cấp các tin tức ban đầu chưa ở dạng tín hiệu điện,
như tiếng nói trong điện thoại, tiếng nói, âm nhạc trong thông tin phát thanh;
tiếng nói, âm nhạc và hình ảnh trong truyền hình
- Để có truyền hình tin tức người ta thường chuyển nó thành tín hiệu điện

phù hợp cho các hệ thống thông tin, gọi là biến đổi tin tức-tín hiệu.
Ví dụ: Micro trong thông tin điện thoại và phát thanh, micro và camera
đối với truyền hình v.v
- Máy phát là khối bao gồm các chức năng: Biến đổi các tín hiệu điện
thành dạng tiện lợi cho việc truyền đi xa, có khả năng chống nhiễu cao và
không làm méo tín hiệu trong quá trình xử lý. Có thể thực hiện được các mục
tiêu cơ bản này nhờ khâu điều chế tín hiệu. Ngoài ra để đảm bảo công suất
máy phát phải thực hiện khuếch đại tín hiệu. Đối với các hệ thống thông tin
vô tuyến, máy phát phải có anten phát để bức xạ tín hiệu điện thành sóng
điện tử lan truyền trong không gian.
- Tín hiệu sau khi qua máy phát được truyền lên kênh truyền để đến máy
thu. Có hai loại kênh truyền cơ bản là dây dẫn (cáp điện, cáp quang) và vô
tuyến (truyền trong không gian). Các kênh tin được dùng trong thông tin điện
thoại, điện báo, truyền hình công nghiệp, phát thanh, truyền hình, thông tin
vệ tinh và đo lường, điều khiển từ xa
- Tín hiệu sau khi qua kênh truyền sẽ đi đến máy thu. Các bộ phận cơ bản
của máy thu là anten thu (trong trường hợp kênh truyền vô tuyến), các bộ
khuếch đại và giải điều chế. Sau khi qua các thiết bị này tín hiệu sẽ được trả
về dạng tín hiệu điện tần thấp ban đầu nhưng vẫn chưa thích hợp cho nơi
nhận tin là con người. Vì vậy tín hiện điện cần phải qua bộ biến đổi tín
hiệu-tin tức là các thiết bị như ống nghe trên máy điện thoại, loa trong radio
và màn hình với loa trên tivi, màn hình máy vi tính, máy in v.v , qua đó con
người sẽ nhận được các tín hiệu vật lý ban đầu.

§2.2. MỤC ĐÍCH CỦA ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU

17
Định nghĩa: Điều chế tín hiệu là phép toán chuyển đổi từ một tín
hiệu mang tin tức sang một tín hiệu khác mà không làm thay đổi về tin tức
mang theo.

Tín hiệu ở đầu ra bộ biến đổi tin tức-tín hiệu có tần số rất thấp do đó không
thể truyền đi xa vì hiệu suất truyền không cao. Người ta thực hiện điều chế
tín hiệu với các mục đích chính sau đây:
- Chuyển phổ của tín hiệu lên phạm vi tần số cao, ở đó ta có thể có kích
thước hợp lý của anten phát. Trong trường hợp kênh truyền là dây dẫn dải
thông của đa số các cáp cũng nằm trong miền tần số cao, các tín hiệu tần số
thấp sẽ bị suy giảm. Do có sự dịch chuyển phổ tín hiệu các hiệu ứng đó sẽ bị
mất đi. (Trong lý thuyết trường điện từ người ta chứng minh được kích thước
của anten phát phải ≥ 1/10  (độ dài bước sóng phát xạ), phổ của tín hiệu
tiếng nói thường vào khoảng 200Hz - 10 kHz , như vậy kích thước của anten
phải lớn cỡ hàng chục km nếu phát tín hiệu ở tần số thấp.
- Điều chế tín hiệu cho phép ta sử dụng hữu hiệu kênh truyền. Nếu không
có điều chế thì trên một kênh truyền chỉ truyền đi được một tín hiệu tại mỗi
thời điểm. Nếu truyền đồng thời hai hay nhiều tín hiệu cùng một lúc thì
không thể tách riêng chúng ra được ở đầu thu. Điều chế tín hiệu là dịch
chuyển phổ của tín hiệu từ tần số thấp lên miền tần số cao khác nhau, ở đầu
thu sẽ thu được riêng rẽ từng tín hiệu nhờ những mạch lọc thông dải.
- Điều chế tín hiệu tăng khả năng chống nhiễu cho HTTT, bởi vì các tín
hiệu điều chế có khả năng chống nhiễu, mức độ tùy thuộc vào các loại điều
chế khác nhau.
§2.3 PHÂN LOẠI ĐIỀU CHẾ
Điều chế tín hiệu (hình 2.2) được thực hiện ở bên phát với mục đích là
chuyển phổ của tín hiệu từ miền tần số thấp lên miền tần số cao. Việc dịch
chuyển phổ của tín hiệu lên tần số cao được thực hiện bằng cách làm thay
đổi các thông số của sóng mang có tần số cao. Trong thực tế người ta dùng
hai loại sóng mang là các dao động hình sin cao tần hoặc các dãy xung, do

18
T/h điều chế
(t/h tin tức)

Bộ điều chế
T/h bị điều chế
T/h sóng mạng
đó tương ứng ta sẽ có hai hệ thống điều chế là điều chế liên tục và điều chế
xung.








Hình 2.2- Nguyên tắc chung điều chế tín hiệu

Trong hệ thống điều chế liên tục, tín hiệu điều chế (tín hiệu tin tức) sẽ tác
động làm thay đổi các thông số như biên độ, tần số hoặc góc pha của sóng
mang là các dao động điều hòa. Sóng mang có thông số thay đổi theo tín
hiệu tin tức được gọi là tín hiệu bị điều chế.
Trong hệ thống điều chế xung, sóng mang là các dãy xung vuông
góc tuần hoàn, tin tức sẽ làm thay đổi các thông số của nó là biên độ, độ rộng
và vị trí xung.
Sự khác nhau căn bản giữa tín hiệu điều chế liên tục và điều chế
xung là ở chỗ trong hệ thống điều chế liên tục tín hiệu mang tin tức được
truyền đi liên tục theo thời gian. Còn trong hệ thống điều chế xung, tín hiệu
mang tin tức chỉ được truyền trong khoảng thời gian có xung.

§2.4. ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU LIÊN TỤC (TƯƠNG TỰ )
2.4.1 Khái quát chung
Gọi (t) là tín hiệu mạng tin tức và hơn nữa (t) đã được chuẩn hóa nghĩa

là:
-1  (t)  1 hay (t)  1 (2.1)
Chúng được thể hiện dạng đơn vị tương đối, bằng cách chia (t) cho

19

max
.
Khi đó điều chế một sóng mang điều hoà hình sin dạng:
u(t) = U
0
sin(
0
t + 
0
) (2.2)
Chúng có thể được thực hiện theo biên độ U
0
, tần số 
0
và pha 
0
; Cũng
có thể thực hiện điều chế đồng thời, chẳng hạn như vừa theo tần số lẫn biên
độ v.v
Các biểu thức đối với tín hiệu hình sin bị điều chế bởi tín hiệu mang tin
tức (t) tương ứng với điều biên AM (Amplitude Modulation), điều tần FM
(Frequency Modulation) và điều pha PM (Phase Modulation) sẽ có dạng
sau đây :
u(t)

AM
= U
0
1+m(t)sin(
0
t+
0
) (2.3)
u(t)
)FM
= U
0
sin(
0
t + .(t)dt + 
0
) (2.4)
u(t)
PM
= U
0
sin(
0
t + .(t) + 
0
) (2.5)
trong đó:
m - Hệ số điều biên; m1;
U = mU
0

- Số gia cực đại của biên độ điện áp;
 - Số gia cực đại của tần số;
 - Số gia cực đại của góc dịch pha.
Tín hiệu mạng tin tức (t) nói chung có thể là một hàm bất kỳ, dưới đây ta
sẽ giới hạn bởi việc xét trường hợp hay gặp nhất là tín hiệu:
(t) = cos t (2.6)
trong đó tần số  thấp hơn nhiều so với 
0
.
Sau đây ta xem xét các hình thức điều chế tín hiệu.
2.4.2 Điều biên AM (Amplitude Modulation)
Từ biểu thức (2.3) ta thấy điều biên nghĩa là làm thay đổi biên độ U
0
của
sóng mang U
0
sin(
0
t+
0
) thành biên độ U
0
+ mU
0
.cos t (đường bao trên

20
hình 2.3) dao động theo sự thay đổi của tín hiệu mang tin tức (t) = cos t.
Hình 2.3 Điều biên AM

Từ (2.3) và (2.6) ta có :
u(t)
AM
= U
0
[1+mcos t]sin(
0
t+
0
)
= U
0
[sin(
0
t+
0
)+ m.sin(
0
t+
0
).cos t]
= U
0
sin(
0
t+
0
)+ (m/2).U
0
.sin[(

0
+)t +
0
]
+ (m/2).U
0
.sin[(
0
-)t+
0
] (2.7)

Như vậy ứng với tín hiệu mạng tin tức (t) = cos t thì từ biểu thức trên
ta rút ra được nhận xét là phổ của tín hiệu điều biên (hình 2.4) là phổ vạch
gồm 3 vạch tạo thành từ 3 tần số: Vạch trung tâm ứng với tần số sóng mang

21

0
và 2 vạch nằm đối xứng ở 2 bên vạch trung tâm ứng với các tần số 
0
- 
và 
0
+ . Các vạch này còn được gọi là các dải biên dưới (LSB-Lower
Side Band) và dải biên trên (USB-Upper Side Band). Dải thông của tín hiệu
điều biên u(t) AM là :
BW=[(
0
+ ) - (

0
- )] / (2) = /. (2.8)
Cả 3 tần số 
0
, 
0
-  và 
0
+  đều nằm ở miền tần số cao (do 
0
>>
). Như vậy ta đã dịch chuyển được tần số thấp  vào miền tần số cao.










Hình 2.4 Phổ biên độ của tín hiệu điều biên AM 3 vạch

Trong trường hợp tín hiệu (t) tuần hoàn và được biểu diễn dưới dạng
tổng của các thành phần điều hòa hình sin:
(t) = C
k
sin(k+
k

) (2.9)
thì khi đó :
u(t)
AM
= U
0
1+mC
k
sin(k+
k
) sin(
0
+
0
)
= U
0
sin(
0
+
0
) – m/2 C
k
cos(
0
-k)t+
0
-
k


+m/2 C
k
cos(
0
-k)t+
0
+
k
 (2.10)
Phổ biên độ của tín hiệu điều biên u
(t)
trong trường hợp này (hình 2.5) sẽ
gồm 2n+1 vạch ứng với tần số 
0
, 
0
-, 
0
+, 
0
-2, 
0
+2, , 
0
-n,

22

0
+n. Giải thông của tín hiệu điều biên u

()AM
:
BW = (
0
+n) - (
0
-n)/ (2) = n/. (2.11)
Xét trường hợp đơn giản khi tín hiệu điều biên chỉ có 2 dải biên.
Công suất của tín hiệu điều biên:
P
AM
= P
C
+ P
LSB
+ P
USB
(2.12)

trong đó: P
C
- Công suất sóng mang (carrier);
P
LSB
, P
USB
- Công suất của các giải biên.

Hình 2.5 Phổ biên độ của tín hiệu điều biên AM (2n+1 vạch).
Công suất của mỗi giải biên:
P
LSB
= P
USB
= P
C
.m
2
/4 (2.13)
Từ (2.12) và (2.13) ta có biểu thức công suất của tín hiệu điều biên:
P
AM
= P
C
.(1+m
2
/2) (2.14)
Ví dụ: Giải hệ số điều biên m=1 và P
C
= 100W. Ta có:
P
LSB
= P

USB
= 100/4 = 25 W,
P
AM
= 100 + 25 + 25 = 150 W.
Như vậy trong trường hợp này công suất của các dải biên (50 W)
chiếm 1/3 công suất của tín hiệu điều biên, còn lại 2/3 là công suất sóng

23
mang. Tuy nhiên bản thân sóng mang không chứa thông tin truyền đi mà
chính các dải biên mới thực hiện nhiệm vụ này. Có nghĩa là 2/3 công suất
của tín hiệu điều biên là "thừa", chỉ có 1/3 công suất của các dải biên mới có
ích. Vì vậy điều biên AM như trên là phương pháp điều chế chưa hiệu quả.
Khi hệ số điều biên m càng bé thì công suất của các dải biên sẽ càng bé.
Nếu hệ số điều biên m càng lớn thì công suất của các dải biên cũng sẽ càng
lớn, nghĩa là tín hiệu sẽ càng mạnh khi được truyền đi. Vì vậy nếu m càng
lớn gần bằng 1 thì công suất của tín hiệu điều biên càng mạnh. Tuy nhiên
trong thực tế khó lòng thực hiện điều biên với m=1 vì các tín hiệu tiếng nói,
hình ảnh (video) không có biên độ cố định mà biên độ và tần số của chúng
thay đổi trong một phạm vi rộng. Nếu công suất của các dải biên được
truyền đi bị yếu thì tín hiệu nhận được tương ứng cũng yếu và hệ
thống thông tin sẽ kém tin cậy.
Ta thấy chỉ có các dải biên mới chứa thông tin cần truyền (chứa tần số tin
tức  bên trong), trong khi sóng mang thì không, hơn nữa sóng mang lại
chiếm công suất quá lớn (2/3 tổng công suất trong trường hợp điều biên
100% ứng với m =1). Vì vậy để cải tiến điều biên AM, người ta tìm cách lọc,
làm triệt tiêu thành phần phổ ứng với sóng mang.
Nếu trong quá trình điều chế làm triệt tiêu sóng mang, chỉ còn để lại 2 dải
biên, ta có cách truyền thông dải biên kép DSB (Double Side Band)- hình 2.6

Hình 2.6 Truyền thông giải biên kép DSB (Double Side Band).

24
Tuy nhiên trong thực tế DSB thường ít được dùng vì nó rất khó giải điều
chế ở thiết bị thu. Do thông tin truyền đi ở 2 dải biên thực chất gần giống
nhau (1 dải có chứa tần số 
0
-, 1 dải chứa tần số 
0
+) nên hoàn toàn có
thể chỉ cần truyền đi 1 dải biên, còn dải biên kia chặn lại. Khi đó ta có cách
truyền thông đơn biên SSB (Single Side Band). Tín hiệu SSB có thể hoặc là
dải biên trên (USB) hoặc là dải biên dưới (LSB). Trong thực tế 1 máy phát
SSB tạo ra cả 2 dải biên và có 1 bộ chuyển mạch cho phép chọn dải biên trên
hoặc dưới để truyền đi.
Khi tín hiệu tiếng nói (hoặc tín hiệu điều chế nói chung) bằng 0 (chẳng
hạn khi người nói dừng lại nghỉ một tí) thì tín hiệu SSB sẽ không được tạo
ra. Ngược lại trong AM khi không có tín hiệu điều chế, sóng mang vẫn phải
được truyền đi. Do đó SSB hiệu quả hơn nhiều so với AM.
Truyền thông đơn biên có các ưu điểm chính sau:
- Tín hiệu SSB chỉ chiếm có 1 nửa không gian phổ so với các tín hiệu
AM hay DSB. Điều đó cho phép tiết kiệm không gian phổ và cho phép

truyền được nhiều tín hiệu hơn trong cùng 1 dải tần số (so với AM và DSB),
đồng thời khi đó khả năng giao thoa giữa các tín hiệu cũng giảm xuống.
- Công suất tín hiệu bây giờ chỉ hoàn toàn tập trung trong 1dải biên, vì
vậy tín hiệu truyền đi sẽ mạnh hơn và có thể truyền đi xa hơn, tin cậy hơn.
Hiệu suất truyền cao hơn so với AM và DSB.
- Dải thông của SSB nhỏ hơn so với AM và DSB (và tương ứng dải
thông của mạch thu cũng nhỏ hơn). Vì vậy tín hiệu SSB sẽ ít bị tác động của
nhiễu hơn. Nhiễu là tín hiệu ngẫu nhiên được hình thành từ 1 số lượng bất
định các tần số nào đó. Do đó việc thu hẹp dải thông có tác dụng lọc bớt
phần nào các tần số của nhiễu.
- Tín hiệu SSB ít fađin hơn so với tín hiệu AM. Fađin ở đây nghĩa là tín
hiệu tăng hoặc giảm mạnh khi máy thu nhận nó. Fađin xuất hiện trong AM vì
sóng mang và các dải biên có thể được máy thu được lệch nhau về thời gian
và pha với nhau. Lý do là vì sóng mang và các dải biên do nằm ở các tần số

25



 


















n
1k
2
0
1k
2
0
1k
2
0
0
1k4
tk2cos
m
1k4
tk2cos
m
1k4
tk2cos
2tcosm1.U
2
0 0
( ) 0

2 2
1 1
2 cos 2 cos2 .cos
1 cos 2 2
4 1 4 1
t
k k
k t k t t
u U m t m
k k
 

 
 

    
 
 
 
 
 
khác nhau nên chịu sự tác động của tầng iôn hóa trong khí quyển một cách
khác nhau. Tầng iôn hóa này có tác dụng uốn cong các tín hiệu sóng mang và
các dải biên xuống mặt đất ở các góc khác nhau một ít, vì vậy các tín hiệu
này có thể đi đến thiết bị thu không đồng thời. Đối với tín hiệu SSB chỉ có 1
dải biên, loại fađin này sẽ không xuất hiện.
Khi tín hiệu u(t)
MA
đi đến thiết bị giải điều chế (bộ tách sóng) thì sẽ thực
hiện quá trình khôi phục ngược lại tín hiệu (t), tức là dịch chuyển

ngược lại phổ vào miền tần số thấp. Ta xét 1 bộ giải điều chế đơn giản loại
tuyến tính 2 nửa chu kỳ, chỉ cho qua thành phần dao động điều biên 1cực (ví
dụ toàn giá trị dương). Không mất tính tổng quát ta giả sử 
0
= 0. Khi đó điện
áp trên đầu ra của thiết bị giải điều chế tuyến tính 2 nửa chu kỳ nói trên sẽ có
dạng:
U(t)
FM
= U
0
sin (1+m cost) sin
0
t
Triển khai sin
0
t vào chuỗi Fuariê:
0
0
2
1
2 cos2
sin 1 2
4 1
k
k t
k






 

 
 
 

, khi đó :






(2.15)
u(t) tạo thành tín hiệu có thành phần không đổi 2/U
0
.1, thành phần tín
hiệu điều chế tcos.mU
2
0


và các thành phần còn lại có tần số cao 2k
0
-
, 2k
0
, 2k

0
+ (k=1,2, ). Phổ của tín hiệu u(t) có dạng như ở hình 2.7.
Nếu ở đầu của bộ giải chế ta đặt bộ lọc thông thấp thì tất cả các thành phần
có tần số cao sẽ bị giữ lại sau khi qua bộ lọc này, chỉ có tần số của tín hiệu

26
mang tin tức ban đầu  là đi qua được để đến thiết bị thu.











Hình 2.7 Phổ của tín hiệu AM ở đầu ra bộ giải điều chế.

2.4.3 Điều tần FM và điều pha PM
Trên hình 2.8 thể hiện điều tần FM, còn hình 2.9 là điều pha PM.
Không mất tính tổng quát, ta giả sử 
0
, (t) = cost, trong đó tần số hiệu
điều chế  thấp hơn nhiều so với tần số sóng mạng 
0
.
Khi đó từ (2.4) và (2.15) ta có biểu thức của tín hiệu điều tần:

 
tsin.mtsinUtdtcostsinU)t(u
00
t
0
00FM









(2.16)
trong đó:
∆ω - số gia cực đại của tần số,



m - hệ số điều tần.







tcos.tsin.msintsin.tsin.mcosU)t(u

000FM

(2.17)

Nếu ta chọn hệ số điều tần m<<1 thì khi đó:
m.sinΩt<<1 sin(m.sinΩt)  m.sint (2.18)
cos(m.sinΩt)  1 (2.19)

27
thay (2.18) và (2.19) vào (2.17) ta được:


tcos.tsin.mtsinU)t(u
000FM









0 0 0 0
sin ( / 2).sin( ) ( / 2).sin( )
U t m t m t
  
     

(2.20)

Hình 2.8 Điều tần FM
Như vậy phổ của tín hiệu điều tần trong trường hợp hệ số điều tần m bé
(m<<1) cũng gồm ba thành phần tương tự như điều biên với các tần số ω
0
,
ω
0
-Ω, ω
0
+Ω, chỉ có khác là phổ pha ở tần số ω
0
-Ω thì ngược lại một góc
180
0
so với điều biên ( dấu trừ trước biểu thức (m/2)sin (m.sinΩ)t ).
Trong trường hợp chung khi hệ số điều tần m tăng lên, không thoả mãn
điều kiện m<<1 nữa thì phổ của tín hiệu điều tần sẽ mở rộng ra, chứ không
còn có dạng như trên nữa. Để phân tích phổ của tín hiệu điều tần cần phải