Chương 2: Điều chế tín hiệu tương tự ppsx

NGUYÊN LÝ
TRUYỀN THÔNG

Thạc sĩ. VÕ KHIẾM
TRUNG TÂM NG D NG KHOA H C, Ứ Ụ Ọ
CÔNG NGH & TIN H C LÂM Đ NGỆ Ọ Ồ

Email:
Phone: 063. 501778 - 0913173367


Chương 2:
Chương 2:
ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ
ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ

Tín hiệu tương tự khi truyền đi xa
thì năng lượng của chúng bị suy giảm
theo khoảng cách.

Vì vậy, để có thể truyền tín hiệu
đi xa và thích hợp với các dạng kênh
truyền khác nhau cần phải thực hiện
quá trình điều chế tín hiệu.

Trong chương trình này, chỉ
nghiên cứu nguyên lý của các tín hiệu
điều chế tương tự và hàm phổ của

chúng.

Các sơ đồ điều chế chỉ trình bày
dưới dạng nguyên lý. Các vấn đề giải
pháp kỹ thuật, sơ đồ mạch điện cụ thể,
sẽ được nghiên cứu kỹ hơn ở giáo
trình Mạch điện tử thông tin.




I. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐIỀU CHẾ
Điều chế là quá trình biến đổi dạng tín hiệu sóng mang (carrier)
tuân theo một đặc trưng nào đó của tín hiệu đều chế ( tin tức ) cần
truyền đi nhằm tạo ra một tín hiệu chứa nội dung tin tức nhưng có dạng
thức phù hợp, có thể lan truyền trong môi trường.
Để điều chế tín hiệu, cần phải có hai thành phần:
- Tín hiệu đem điều chế, chứa tin tức, thường được kí hiệu là s(t)
(hay x(t), w(t), m(t), , tuỳ hoàn cảnh).
s(t) = U
s
cos2πf
s
t
- Sóng mang (carrier ), còn gọi là dao động tải tin, ký hiệu là Uc(t)
hay Xc(t)…. Đó là dao động tần số cao, thường dưới dạng điện thế hay
dòng điện, như sau:
Uc(t) = U
o
cos(2πf

c
t + θ)


CÁC KIỂU ĐIỀU CHẾ
CÁC KIỂU ĐIỀU CHẾ
Uc(t) được đặc trưng bởi ba tham số là: biên độ, tần số, pha tức thời.
Nói các khác: điều chế là ghi tín hiệu vào một trong các tham số của
dao động mang, làm cho các tham số này bị thay đổi theo quy luật của
tin tức.
- Nếu ghi tín hiệu vào biên độ của dao động mang, làm cho biên độ
thay đổi theo quy luật của tin tức. Ta có tín hiệu điều chế biên độ.
- Nếu ghi tín hiệu vào tần số của dao động mang, thì tần số dao động
mang thay đổi theo quy luật của tin tức. Ta có tín hiệu điều chế tần số.
- Nếu ghi tín hiệu vào pha tức thời của dao động mang, thì pha tức
thời bên cạnh sự thay đổi đều đặn theo thời gian, sẽ thay đổi theo quy
luật của tin tức. Ta có tín hiệu điều chế pha.
- Nếu ghi tín hiệu đồng thời vào hai tham số (biên độ và pha) của dao
động mang, chúng ta có tín hiệu điều chế hỗn hợp.


II. ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ
II. ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ


AM
AM


(

(
Amplitude Modulation
Amplitude Modulation
)
)




1. Điều chế biên độ song biên
1. Điều chế biên độ song biên
Tin tức s(t) và sóng mang uc(t) biểu diễn như sau:
Tin tức s(t) và sóng mang uc(t) biểu diễn như sau:


s(t) = U
s(t) = U
s
s
cos2πFt
cos2πFt




uc(t) = Uocos(2πf
uc(t) = Uocos(2πf
c
c
t + θ)

t + θ)
Tín hiệu điều chế AM (theo phép cộng) có dạng:
Tín hiệu điều chế AM (theo phép cộng) có dạng:
u
AM
(t) = [U
0
+ s(t)]cos(2πf
c
t + θ)
u
u
AM
AM
(t) = [U
(t) = [U
0
0
+ U
+ U
s
s
.cos2πFt].cos(2πfct + θ)
.cos2πFt].cos(2πfct + θ)


=
=
U
U

0
0
[1+Us/U0.cos2πFt].cos(2πf
[1+Us/U0.cos2πFt].cos(2πf
c
c
t + θ)
t + θ)
Đặt m = Us/U
Đặt m = Us/U
0
0
là độ sâu điều chế
là độ sâu điều chế


u
u
AM
AM
(t) = U
(t) = U
0
0
[1 + m.cos2πFt].cos(2πf
[1 + m.cos2πFt].cos(2πf
c
c
t + θ)
t + θ)

u
u
AM
AM
(t) = [U
(t) = [U
0
0
+ m.U
+ m.U
0
0
cos2πFt].cos(2πf
cos2πFt].cos(2πf
c
c
t + θ)
t + θ)


Tín hiệu AM theo độ sâu điều chế m


Phổ biên độ - tần số tín hiệu AM đơn âm
Phổ biên độ - tần số tín hiệu AM đơn âm




u

u
AM
AM
(t) = [U
(t) = [U
0
0
+ m.U
+ m.U
0
0
cos2πFt].cos(2πf
cos2πFt].cos(2πf
c
c
t + θ)
t + θ)
Chúng ta có thể triển khai biểu thức như sau:
Chúng ta có thể triển khai biểu thức như sau:
u
u
AM
AM
(t) = U
(t) = U
0
0
cos(2πf
cos(2πf
c

c
t + θ) + mU
t + θ) + mU
0
0
cos(2πf
cos(2πf
c
c
t + θ). cos(2πFt)
t + θ). cos(2πFt)


- Thành phần (1)
- Thành phần (1)
biên độ U
biên độ U
0
0
, còn tần số sóng mang fc ;
, còn tần số sóng mang fc ;


- Thành phần (2)
- Thành phần (2)
biên độ mU
biên độ mU
0
0
/2

/2
, còn tần số biên trên là (fc+F);
, còn tần số biên trên là (fc+F);


- Thành phần (3)
- Thành phần (3)
biên độ mU
biên độ mU
0
0
/2
/2
, còn tần số biên dưới là (fc-F).
, còn tần số biên dưới là (fc-F).
])(2cos[
2
])(2cos[
2
)2cos(
00
0
θπθπθπ
+−+++++=
tFf
mU
tFf
mU
tfU
ccc

])(2cos[
2
])(2cos[
2
)2cos(
0
0
0
θπ
θπ
θπ
+−+
+++
+=
tFf
mU
tFf
mU
tfU
c
c
c


Phổ tín hiệu AM
Phổ tín hiệu AM


Phổ biên độ - tần số tín hiệu AM

Công suất các thành phần tần phổ
Công suất các thành phần tần phổ




- Công suất của thành phần sóng mang: P
- Công suất của thành phần sóng mang: P
c
c
= U
= U
2
2
0
0


- Công suất của thành phần biên: Pb = (mU
- Công suất của thành phần biên: Pb = (mU
0
0
/2)
/2)
2
2

- Công suất toàn bộ tín hiệu AM :
- Công suất toàn bộ tín hiệu AM :
P
P
AM
AM
= Pc + 2Pb = Pc [ 1 + m
= Pc + 2Pb = Pc [ 1 + m
2
2
/2]
/2]
Điều chế AM, công suất thành phần sóng mang chiếm phần lớn.
Điều chế AM, công suất thành phần sóng mang chiếm phần lớn.


m = 1, thì 66% công suất dành cho sóng mang, chỉ 17% công suất
m = 1, thì 66% công suất dành cho sóng mang, chỉ 17% công suất
để tải thông tin (một dải biên).
để tải thông tin (một dải biên).
m < 1, công suất để tải thông tin còn giảm hơn nữa, m = ½, thì gần
m < 1, công suất để tải thông tin còn giảm hơn nữa, m = ½, thì gần
90% công suất cho sóng mang, hơn 5% công suất của tín hiệu để tải
90% công suất cho sóng mang, hơn 5% công suất của tín hiệu để tải
thông tin.
thông tin.
m > 1, công suất thành phần sóng mang giảm đi. Nhưng độ rộng phổ
m > 1, công suất thành phần sóng mang giảm đi. Nhưng độ rộng phổ
tín hiệu AM tăng lên nhiều lần, W

tín hiệu AM tăng lên nhiều lần, W
m>1
m>1
= 6B = 3W
= 6B = 3W
m<1
m<1
,
,
W độ rộng phổ tần số tín hiệu AM, còn B là độ rộng phổ của tin tức.


Phổ biên độ - tần số tín hiệu AM đa âm


2. Điều chế biên độ triệt sóng mang
DSB – SC (Double SideBand Supperssed Carrier ).

Điều chế AM có nhược điểm là lãng phí công suất phát cho sóng
mang mà không chứa đựng thông tin.

Trong ứng dụng, ta loại bỏ sóng mang trong tín hiệu điều chế,
phương pháp này gọi là điều chế triệt sóng mang DSB – SC

Tín hiệu AM có hai dải biên tần với sóng mang bị triệt, được tạo ra
bằng cách nhân tín hiệu đem điều chế s(t) với sóng mang Uc(t), có
dạng như sau:
u
DSB-SC
(t) = s(t).U

0
cos(2πf
c
t + θ)

Tín hiệu DSB – SC, do không có thành phần sóng mang nên toàn
bộ công suất của tín hiệu dùng để tải thông tin (mỗi dải biên 50%).

Tuy nhiên, khi nhận lại tín hiệu điều chế ở máy thu phải sử dụng
mạch giải điều chế tích, nên giá thành sẽ cao hơn nhiều so với mạch
tách sóng đường bao biên độ AM.


Phổ biên độ - tần số tín hiệu DSB-SC




u
DSB-SC
(t) = s(t).U
0
cos(2πf
c
t + θ)

Biểu thức này có thể viết lại đơn giản như sau:

u
DSB-SC

(t) = U
0
U
s
cos(2πFt) x cos(2πf
c
t + θ)

Chúng ta triển khai tiếp như sau:

u
DSB-SC
(t) = Acos[2π(f
c
+ F)t + θ].cos[2π(f
c
– F)t + θ]

Biểu thức này chỉ có hai thành phần tần số là f
c
± F.


Phổ biên độ - tần số tín hiệu BSB-SC




3. Điều chế biên độ - đơn biên
3. Điều chế biên độ - đơn biên SSB-AM

(Single Side Band Amplitude Modulation )

Phổ biên độ - tần số của tín hiệu AM, có hai dải biên
(biên trên và biên dưới) cùng chứa một lượng tin như nhau.

Như vậy, chỉ cần một dải biên cũng có thể khôi phục lại
tin tức ban đầu, tức là có thể bỏ đi một dải biên.

Để toàn bộ công suất của tín hiệu sử dụng cho truyền
tải thông tin, cần loại bỏ thành phần sóng mang như điều
chế DSB-SC, và loại bỏ bớt một dải biên của tín hiệu, đó là
điều chế biên độ đơn biên SSB-AM .

Tín hiệu SSB-AM với sóng mang bị triệt thường được
sử dụng trong thực tiễn nhất.


Phổ biên độ tần số tín hiệu SSB – AM
tiếng nói






Điều chế tín hiệu SSB-AM có thể thực hiện bằng một
trong ba giải pháp kỹ thuật sau:
- Phương pháp lọc (filtering method);
- Phương pháp quay pha (phasing method);
- Phương pháp lai ghép của hai phương pháp trên.


So với tín hiệu AM thuần túy, thì tín hiệu SSB-AM chỉ
chiếm dụng phổ bằng một nửa, tức W
SSB-AM
= B.

Tuy nhiên, giải pháp kỹ thuật ở cả thiết bị phát, cũng như
phía thu, đều phức tạp hơn.

Vì thế, tín hiệu SSB-AM, chỉ được sử dụng cho mục đích
quân sự.


4. Điều chế biên độ - dải biên rớt
(Vestigial SideBand – VSB)
(Vestigial SideBand – VSB)



Trong kỹ thuật truyền hình, để truyền tải hình ảnh bằng điều biên
Trong kỹ thuật truyền hình, để truyền tải hình ảnh bằng điều biên
AM hoặc DSB-SC, phổ tần số của nó quá rộng W = 2 x 4,2 = 8,4 MHz.
AM hoặc DSB-SC, phổ tần số của nó quá rộng W = 2 x 4,2 = 8,4 MHz.



Nếu sử dụng SSB-AM, thì giải pháp kỹ thuật lại quá phức tạp, giá
Nếu sử dụng SSB-AM, thì giải pháp kỹ thuật lại quá phức tạp, giá
thành đắt.
thành đắt.


Vì vậy, người ta sử dụng giải pháp
Vì vậy, người ta sử dụng giải pháp
điều biên rớt
điều biên rớt

Tín hiệu VSB có thể thực hiện từ tín hiệu AM hoặc DSB-SC, nhờ
Tín hiệu VSB có thể thực hiện từ tín hiệu AM hoặc DSB-SC, nhờ
một mạch lọc giải thông đặc biệt, gọi là
một mạch lọc giải thông đặc biệt, gọi là
mạch lọc biên rớt
mạch lọc biên rớt
.
.

Mạch lọc biên rớt có tác dụng làm giảm (cắt cụt) phần lớn phổ biên
Mạch lọc biên rớt có tác dụng làm giảm (cắt cụt) phần lớn phổ biên
tần dưới.
tần dưới.


Phổ tín hiệu VSB



Tín hiệu VSB được biểu diễn
Tín hiệu VSB được biểu diễn
bằng biểu thức:
bằng biểu thức:
s

s
VSB
VSB
(t) = u
(t) = u
AM
AM
(t)*h(t)
(t)*h(t)
- u
- u
AM
AM
(t) là tín hiệu điều biên AM,
(t) là tín hiệu điều biên AM,
- h(t) là đáp ứng xung của mạch
- h(t) là đáp ứng xung của mạch
lọc biên rớt,
lọc biên rớt,
- dấu * ở đây chỉ phép tích chập.
- dấu * ở đây chỉ phép tích chập.

Phổ tín hiệu VSB xác định bằng
Phổ tín hiệu VSB xác định bằng
biểu thức:
biểu thức:
S
S
VSB
VSB

(f) = S
(f) = S
AM
AM
(f) . H(f)
(f) . H(f)
- S
- S
AM
AM
(f) - phổ biên độ - tần số của
(f) - phổ biên độ - tần số của
tín hiệu AM,
tín hiệu AM,
- H(f) là hàm truyền của mạch lọc
- H(f) là hàm truyền của mạch lọc
biên rớt.
biên rớt.


5. Mạch điều chế biên độ
Điều chế biên độ là một quá trình phi tuyến,
Điều chế biên độ là một quá trình phi tuyến,
các mạch điều chế được phân chia thành các
các mạch điều chế được phân chia thành các
dạng sau:
dạng sau:
- Mạch điều chế nhân
- Mạch điều chế bậc hai
- Mạch điều chế cân bằng

- Mạch điều chế SSB


a. Mạch điều chế nhân

Điều chế độ AM, để có tín hiệu
xc(t)=Accoswct+μx(t)Accoswct,
mạch điều chế gồm các khối nhân
và cộng.

Với điều chế DSB, sơ đồ mạch
tương tự nhưng chỉ có khối nhân
thuần tuý xc(t) = x(t).Accoswct.

Một dạng khác của mạch điều
chế nhân là phương pháp điều
khiển độ hỗ dẫn của các phân tử
tích cực, như mạch nhân dùng BJT


b. Mạch điều chế bậc hai




c. Mạch điều chế cân bằng

Trong thực tế, không có phần tử
phi tuyến nào là bậc 2 thuần tuý,


Để tạo tín hiệu DSB và triệt tiêu các
thành phần bậc 1 và bậc 3, ta dùng
hai mạch AM ghép đối xứng, gọi là
mạch điều chế cân bằng (balanced
modulator)

Hai mạch điều chế AM giống nhau,
cùng có thành phần sóng mang
Accoswct. Tín hiệu tin tức x(t) được
đảo pha và đặt vào hai ngõ vào với
pha ngược nhau.

Mạch cộng vi sai cho phép triệt tiêu
thành phần sóng mang, ngõ ra
nhận được x(t)Accoswct là tín hiệu
DSB.


d. Mạch điều chế SSB