Giáo trình phân tích quy trình ứng dụng kỹ thuật nối tiếp tín hiệu điều biên p1 ppsx

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (336.8 KB, 10 trang )

CHƯƠNG 1
ĐIỀU BIÊN (AM: Amplitude modulation)
I. Phổ của tín hiệu điều biên:
Điều biên là quá trình làm cho biên độ tải tin biến đổi theo tin tức.
Giả thiết tin tức là tín hiệu âm tần có phạm vi biến đổi tần số từ 
min

max
,
ta có:
V

= V

.cost (1.1)
Tải tin là dao động cao tần:
V
o
= V
0
.cos
0
t (1.2)
Từ (1-1) và (1-2) ta được tín hiệu điều biên có dạng:




   
3.1tcostcosm1V

tcostcos
V
V
1V
tcostcosVVtV
00
0
0
0
00AM


















Trong đó:
0

V
V
m

 là hệ số điều chế hay còn gọi là độ sâu điều chế. Hệ số
điều chế “m” phải thỏa mãn điều kiện m  1. Nếu m > 1 thì mạch có hiện tượng
điều chế và tín hiệu méo trầm trọng (hình 1-1).
Trong thực tế m
max
= 0,7  0,8 để đảm bảo thu tín hiệu không bò méo. Ta
xác đònh “m” trong thực tế bằng cách đo các giá trò V
max
, V
min
và áp dụng công
thức:
 
4.1
VV
VV
2
VV
2
VV
V
V
m
minmax
minmax
minmax

minmax
0








Click to buy NOW!
P
D
F
-
X
C
h
a
n
g
e

V
i
e
w
e
r
w

w
w
.
d
o
c
u
-
t
r
a
c
k
.
c
o
m
Click to buy NOW!
P
D
F
-
X
C
h
a
n
g
e

V
i
e
w
e
r
w
w
w
.
d
o
c
u
-
t
r
a
c
k
.
c
o
m
Giáo trình phân tích quy trình ứng dụng kỹ
thuật nối tiếp tín hiệu điều biên
Khi m = 1 ta có V
max
= 2V
0

và V
min
= 0.
Biến đổi lượng giác công thức (1.3) ta có:
     
5.1tcos
2
mV
tcos
2
mV
tcosVV
0
0
0
0
00AM


V
0

t

0

t

V

0

0 5 1 0 1 5 2 0
- 3
- 2
- 1
0
1
2
3

t

V
AM
m < 1

0 5 1 0 1 5 2 0
- 4
- 3
- 2
- 1
0
1
2
3
4

t
V
AM
m = 1
0 5 1 0 1 5 2 0
- 6
- 4
- 2
0
2
4
6

t

V
AM
m > 1

Hình 1.1 Dạng tín
hiệu V

, V
0
và tín hiệu điều biên V
AM
Click to buy NOW!
P
D
F
-
X
C
h
a
n
g
e

V
i
e
w

e
r
w
w
w
.
d
o
c
u
-
t
r
a
c
k
.
c
o
m
Click to buy NOW!
P
D
F
-
X
C
h
a
n

g
e

V
i
e
w
e
r
w
w
w
.
d
o
c
u
-
t
r
a
c
k
.
c
o
m
Như vậy khi điều
chế đơn âm phổ của tín
hiệu điều biên AM có ba

thành phần: Tải tin có tần
số 
0
và có biên độ V
0
;
hai dao động biên có tần
số 
0
  và có biên độ
như hình 1-2,a. Khi
m=1 thì
2
V
V
0
AM

Nếu ta điều chế
một dãi âm tần
(
min

max
) vào tải tin, ta
sẽ có phổ của tín hiệu AM
như hình 1-2,c.
Ta thấy ngoài tải
tin 
0

có biên độ V
0
còn
có hai biên tần: biên tần
trên có tần số từ (
0
-

min
) đến (
0
+ 
max
) và
biên tần dưới có tần số từ
(
0
- 
max
) đến (
0
+ 
min
)
đối xứng qua tải tin.
Thực chất phổ của các dao động hai biên không đồng điều nhau mà càng
xa 
0
thì biên độ càng giảm do đặc tuyến lọc của bộ cộng hưởng không phải là
hình chữ nhật lý tưởng.

II. Quan hệ năng lượng trong điều biên:
Trong tín hiệu đã điều biên, các biên tần chứa tin tức, còn tải tin không
mang tin tức. Như vậy công suất tải tin là công suất tiêu hao vô ích, còn công suất
biên tần là công suất hữu ích.
 Công suất tải tin là công suất bình quân trong một chu kỳ tải tin:

P
o
= (1.6)
V
2
0

2R
L


0

-




0
+



0


min

max







0

-


max

0
+

max

0


0

-


min

0
+

min
0

0

0

Hình 1-2 Phổ của rín hiệu AM
V
AM
V

2
mV
0

V
0
Click to buy NOW!

P
D
F
-
X
C
h
a
n
g
e

V
i
e
w
e
r
w
w
w
.
d
o
c
u
-
t
r
a

c
k
.
c
o
m
Click to buy NOW!
P
D
F
-
X
C
h
a
n
g
e

V
i
e
w
e
r
w
w
w
.
d

o
c
u
-
t
r
a
c
k
.
c
o
m
 Công suất biên tần:
   
 
   
 
8.1
2
m
PPPP
7.1
2
m
P
R2
1
2
mV

PP
2
btbtbt
2
L
2
0
btbt
000
000












Khi điều chế sâu (100%): m = 1 thì
2
P
P
0
bt



(1.9)
 Từ (1.3) ta có: V
Ammax
= V
0
(1+m)
Do đó:


 
2
L
2
2
0
maxAM
m1P
R2
m1V
P
0




(1.10)
Khi m = 1 thì P
AMmax
= 4P
o

(1.11)
Vậy công suất trung bình trong một chu kỳ điều chế:
 
12.1
2
m
1P
2
m
PPPPP
2
btAM
0000 










Nếu m = 1 thì P
AM
= 3/2 P
o
(1.13)
 P
bt

= 1/3 P
AM
(1.14)
 Hệ số lợi dụng công suất:
 
15.1
1m
2
1
2
m
1P
2
mP
P
P
k
2
2
2
AM
bt
0
0
















Khi điều chế sâu nhất m = 1 thì
3
1
k  có nghóa là công suất hữu ích chỉ
bằng một phần ba tổng công suất phát đi.
Click to buy NOW!
P
D
F
-
X
C
h
a
n
g
e

V
i
e

w
e
r
w
w
w
.
d
o
c
u
-
t
r
a
c
k
.
c
o
m
Click to buy NOW!
P
D
F
-
X
C
h
a

n
g
e

V
i
e
w
e
r
w
w
w
.
d
o
c
u
-
t
r
a
c
k
.
c
o
m
Trong thực tế để tín hiệu không méo m = 0,7  0,8 thì
3

1
k  . Đây chính là
nhược điểm của tín hiệu AM so với tín hiệu điều biên (SSB).
III. Các chỉ tiêu cơ bản của dao động đã điều biên:
1. Hệ số méo phi tuyến:
Trong đó:
   
 





0
00
I
II
k
2
3
2
2

I
(t  ns)
(n  2) là biên độ các thành phần dòng điện ứng với hài bậc cao
của tín hiệu điều chế;
I
(t  s)
là biên độ các thành phần biên tần.

Để đặc trưng cho méo phi tuyến
trong mạch điều khiển, người ta dùng
đặc tuyến điều chế tónh (hình 1.3). Đặc
tuyến điều chế tónh cho biết quan hệ
giữa biên độ tín hiệu ra và giá trò tức
thời của tín hiệu điều chế ở đầu vào.
Dạng tổng quát của đặc tuyến
điều chế tónh được biểu diễn trên hình
1-3.
Đường đặc tuyến điều chế tónh lý tưởng là một đường thẳng từ C đến A.
Đặc tuyến điều chế tónh không thẳng sẽ làm cho lượng biến đổi của biên độ dao
động cao tần đầu ra so với giá trò ban đầu (điểm B) không tỷ lệ đường thẳng với
trò tức thời của điện áp điều chế. Do đó trên đầu ra thiết bò điều biên, ngoài các
thành phần hữu ích (các biên tần), còn có các thành phần bậc cao không mong
muốn khác. Trong đó đáng lưu ý nhất là thành phần của tần số 
t
 2
s
có thể lọt
vào các biên tần mà không thể lọc được.
Để giảm méo phi tuyến, cần hạn chế phạm vi làm việc của bộ điều chế
trong đoạn đường thẳng của đặc tuyến điều chế tónh. Lúc đó buộc phải giảm độ
sâu điều chế.
A

B

C

U


I
0
Hình 1-3: Đặc tuyến điều chế tónh.
A–Giá trò cực đại; B–Tải tin chưa điều chế
Click to buy NOW!
P
D
F
-
X
C
h
a
n
g
e

V
i
e
w
e
r
w
w
w
.
d
o

c
u
-
t
r
a
c
k
.
c
o
m
Click to buy NOW!
P
D
F
-
X
C
h
a
n
g
e

V
i
e
w
e

r
w
w
w
.
d
o
c
u
-
t
r
a
c
k
.
c
o
m
2. Hệ số méo tần số:
Để đánh giá độ méo tần số, ngươì ta căn cứ vào đặc tuyến biên độ – tần
số:
M = f(F
s
)
Us = const

Hệ số méo tần số được xác đònh theo biểu thức:

Trong đó:

m
0
– hệ số điều chế lớn nhất;
m – hệ số điều chế tại tần số đang xét;
Méo tần số xuất hiện chủ yếu trong các tầng khuyếch đại âm tần (khuyếch
đại tín hiệu điều chế), nhưng cũng có thể xuất hiện trong các tầng điều chế và sau
điều chế, khi mạch lọc đầu ra của các tầng này không đảm bảo băng thông cho
phổ của tín hiệu đã điều biên(2F
max
)
IV. Phương pháp tính toán mạch điều biên:
Các mạch điều biên được xây dựng dựa vào hai nguyên tắc sau đây:
- Dùng phần tử phi tuyến : cộng tải tin và tín hiệu điều chế trên đặc tuyến của
phần tử phi tuyến đó.
- Dùng phần tử phi tuyến có tham số điều khiển được: nhân tải tin và phi tín hiệu
điều chế nhờ phần tử phi tuyến đó.
1. Điều biên dùng phần tử phi tuyến:
Các phần tử phi tuyến được dùng để điều biên có thể là đèn điện tử, bán
dẫn, các đèn có khí, cuộn cảm có lõi sắt hoặc điện trở có trò số biến đổi theo điện
áp đặt vào.

M = Hoặc M
dB
= 20logM (1.17)
m
0

m
Click to buy NOW!
P

D
F
-
X
C
h
a
n
g
e

V
i
e
w
e
r
w
w
w
.
d
o
c
u
-
t
r
a
c

k
.
c
o
m
Click to buy NOW!
P
D
F
-
X
C
h
a
n
g
e

V
i
e
w
e
r
w
w
w
.
d
o

c
u
-
t
r
a
c
k
.
c
o
m
Tùy thuộc vào điểm làm việc được chọn trên đặc tuyến phi tuyến, hàm số
đặc trưng cho phần tử phi tuyến, có thể biểu diễn gần đúng theo chuỗi Taylor khi
chế độ làm việc của mạch là chế độ A( = 180
0
) hoặc phân tích theo chuỗi Fourier
khi mạch làm việc ở chế độ mà góc cắt  < 180
0
(chế độ lớp AB, B, C). phương
pháp tính toán cho hai trường hợp đó như sau:
a). Trường hợp 1:  = 180
0
.
Giả thiết mạch điều biên dùng Diode (hình 1-5). Nếu các tín hiệu vào
thỏa mãn điều kiện V
0
 + V

 < E (2.18)

thì mạch làm việc ở chế độ A ( = 180
0
) Hàm số đặt trưng cho phần tử phi
tuyến (diode) xung quanh điểm làm việc được biểu diễn theo chuỗi Taylor:
i
D
= a
1
u
D
+ a
2
u
D
2
+ a
3
u
D
3
+… (1.18)
với u
D
= E
D
+ U
0
cos
0
t + U


cos

t
Thay u
D
vào biểu thức (1.18), nhận được:
I
D
= a
1
(E

+ U
0
cos
0
t + U

cos

t) + a
2
(E + U
0
cos
0
t + U

cos


t)
2
+ +
a
3
(E + U
0
cos
0
t + U

cos

t)
3
+… (1.19)
Khai triển (1.18) và bỏ qua các số hạng bậc cao n  4 sẽ có kết quả
mà phổ của nó được biểu diễn trên hình 1.6. Phổ của tín hiệu ra trong trường
hợp này gồm thành phần phổ mong muốn. Các thành phần phụ bằng không
khí.
A
3
= a
4
= a
5
= … = a
2n+1
= 0 (n = 1, 2, 3,…)

Nghóa là nếu đường đặc tính của phần tử phi tuyến là một đường cong bậc
hai thì tín hiệu đã điều biên không có méo phi tuyến. Phần tử phi tuyến có đặc tính
gần với dạng lý tưởng (bậc 2) là FET.
Để thỏa mãn điều kiện (1.18), tải tin và tín hiệu điều chế phải có
biên độ bé, nghóa là phải hạn chế công suất ra. Vì lý do đó, rất ít dùng điều
biên chế độ A.
Click to buy NOW!
P
D
F
-
X
C
h
a
n
g
e

V
i
e
w
e
r
w
w
w
.
d

o
c
u
-
t
r
a
c
k
.
c
o
m
Click to buy NOW!
P
D
F
-
X
C
h
a
n
g
e

V
i
e
w

e
r
w
w
w
.
d
o
c
u
-
t
r
a
c
k
.
c
o
m


0
Hình 1.6 Phổ của tín hiệu điều biên khi mạch làm việc ở chế độ A



2


3



0
+





0
+ 2




0
+ 3




0

-





0

-
2




0

-
3



2

0
2

0
+



2

0
+ 2



2

0

-




2

0

-
2





t

i
i
U
D
0

E

0

t

U
D
0

Hình 1.5 Điều biên ở chế độ A
a) Mạch điện dùng Diode; b) Đặt tuyến của Diode


b

a)

+ E
0

-

C
B
D

Click to buy NOW!
P
D
F
-
X
C
h
a
n
g
e

V
i
e
w
e
r
w
w
w
.
d
o
c
u
-
t
r
a
c
k
.
c
o
m
Click to buy NOW!
P
D
F
-
X

C
h
a
n
g
e

V
i
e
w
e
r
w
w
w
.
d
o
c
u
-
t
r
a
c
k
.
c
o

m
b) Trường hợp 2:

< 180
0

Khi  < 180
0
, nếu biên độ điện áp đặt vào diode đủ lớn thì có thể coi đặc
tuyến của nó là một đường gấp khúc (hình 1-7). Phương trình biểu diễn đặt tuyến
của diode trong trường hợp này như sau:

S: hỗ dẫn của đặc tuyến diode
Chọn điểm làm việc ban đầu trong khu tắc của diode (ứng với chế độ
C)
Vì dòng qua diode là một dãy xung hình sin (hình 1-7b), nên có thể biểu
diễn i
D
theo chuỗi Fourier như sau:
I
D
= I
0
+ i
1
+ i
2
+…+ i
n

+…= I
o
+ I
1
cos
0
t + I
2
cos2
0
t + + I
n
cosn
0
t (1.21)
Trong đó:
I
0
: thành phần dòng điện một chiều;
I
1
: biên độ thành phần dòng điện cơ bản đối với tải tin;
I
2
, I
3
,…,I
n
: biên độ thành phần dòng điện bậc cao (hài bậc cao) đối với tải
tin;

I
0
, I
1
, I
2
,…, I
n
được tính toán theo các biểu thức xác đònh hệ số của chuỗi
Furier:
 
22.1
ttdncosi
n
I

ttdcosi
2
I
tdi
1
I
0
00Dn
0
00D1
0
D0






























Theo biểu thức (1.20):
i

D
= Su
D
= S(E + U

cos

t + U
0
cos
0
t) (1.23)
0

khi u
D

0

I
D
= (1.20)
Su
D
khi u
D
>0
Click to buy NOW!
P
D

F
-
X
C
h
a
n
g
e

V
i
e
w
e
r
w
w
w
.
d
o
c
u
-
t
r
a
c
k

.
c
o
m
Click to buy NOW!
P
D
F
-
X
C
h
a
n
g
e

V
i
e
w
e
r
w
w
w
.
d
o
c

u
-
t
r
a
c
k
.
c
o
m
Khi 
0
t =  thì I
D
= 0 (hình 2-6), do đó ta có:
0 = S(E + U

cos

t + U
0
cos) (1.24)
Lấy (2-22) trừ (2-23) ta có :
i
D
= SU
0
(cos
0

t - cos) (1.25)
Biểu thức (1.25) là một dạng khác của (1.23), nó biểu diễn sự phụ thuộc
của i
D
vào chế độ công tác (góc cắt ).
Biên độ thành phần cơ bản I
1
(thành phần hữu ích):

Do đó trò tức thời của thành phần cơ bản:

đây  xác đònh được từ biểu hức (1-24)





26

1

2

sin

2