Giáo trình hình thành hệ thống ứng dụng kỹ thuật nối tiếp tín hiệu điều biên p4 pot

 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.
   
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
Giải:
- Biểu thức của tín hiệu điều chế đơn biên:

 
)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
CHƯƠNG 2
ĐIỀU TẦN & ĐIỀU PHA

(FM: Frequency Modulation - PM: Pules
Modulation)
I. Quan hệ giữa điều tần và điều pha:
Vì giữa tần số và góc pha của một dao động có quan hệ với nhau, nên
dễ dàng chuyển đổi sự biến thiên tần số thành biến thiên về pha và ngược
lại:


Điều tần và điều pha là quá trình ghi tin tức vào tải tin, làm cho tần
số hoặc pha tức thời của tải tin biến thiên theo dạng tín hiệu điều chế (tín
hiệu âm tần).
Tải tin là dao động điều hòa:
V
0
(t) = V
0
cos(
0
t +
0
) = V
0
cos(t) (3.2)
Từ 3.1 ta có :
       
3.3tdttt
t
0



Thay (3.3) vào (3.2) ta nhận được biểu thức:


)4.3()t(dt)t(cosV)t(V
00


Giả thiết tín hiệu điều chế là tín hiệu đơn âm :
V

(t)= V

cost (3.5)
Khi điều chế tần số hoặc điều chế pha thì tần số hoặc góc pha của tải
tin biến thiên tỷ lệ với tín hiệu điều chế và chúng được xác đònh theo các
biểu thức sau:
(t) = 
0
+ cost (3.6)
: lượng di tần cực đại.



= (3.1)
d


dt

Khi đó ta có chỉ số điều tần:

k: hệ số tỷ lệ
(t) = 
0
+  cost (3.8)
: lượng di pha cực đại. Khi đó ta có chỉ số điều pha:
m
p
= kV

=  (3.9)
Từ (3.6) ta có:
 = kV

(3.10)
Nên khi V

= const thì = const nhưng khi  thay đổi thì m
f
cũng thay đổi.
Từ (3-8) ta nhận thấy khi V

= const thì m
p
= const, nhưng độ di tần khi điều
pha thì tăng tỷ lệ với tần số điều chế theo biểu thức:


 

11.3tsin.
dt
d




Như vậy điều khác nhau cơ bản giữa điều tần và điều pha là lượng di
tần khi điều pha tỷ lệ với biên độ điện áp điều chế và tần số điều chế, còn
lượng di tần khi điều chế tần số chỉ tỷ lệ với biên độ điện áp điều chế mà
thôi.
Thay (3.6) và (3.8) vào (3.3) ta nhận được tín hiệu đã điều tần và điều pha
như sau:


Ta nhận thấy nếu ta đưa tín hiệu điều chế qua một mạch tích phân,
rồi vào mạch điều chế pha thì ở đầu ra ta sẽ nhận được tín hiệu điều chế tần
số. Ngược lại, nếu ta đưa tín hiệu điều chế qua một mạch vi phân, rồi vào
mạch điều chế tần số thì ở đầu ra ta nhận được tín hiệu điều chế pha (hình
3-1)

V
FM
(t) = V
0
cos(
0
t +
Ω
ωΔ

sint + 
0
) (3.12)
V
PM
(t) = V
0
cos(
0
t + cost + 
0
) (3.13)

m
f


= k = (3.7)
V








II. Phổ của dao động điều tần và điều pha:
Công thức (3.12) và (3.13) có thể viết lại như sau với 
0
= 0:
V
FM
(t) = V
0
cos(
0
t + m
f
sint) (3.14)
V
PM
(t) = V
0
cos(
0
t + m
p
sint) (3.15)

Khi điều chế đơn âm, phổ của tín hiệu điều tần và điều pha chỉ chứa thành
phần 
0
và nhiều thành phần tần số biên (
0
 n) với n = 1, 2, 3 (được cho trong
bảng 2-1). Biên độ của các thành phần tần số biên tỷ lệ với hàm số Bessel loại 1
bậc n như hình (3-2)
Lọc thông
thấp
Tách sóng
pha
Chia
n:1
Dao động
thạch anh

Chia n
2
Khuyếch
đại
V
f
ra
f
TA
Hình 3
-
1: Điều tần dùng hệ th
ống AFC

-
P

Bộ dao
động f
0


Kích thước tần số m
f
J
0

J
1
J
2
J
3
J
4
J
5
J
6
J
7
J
8
J

9
J
10
J
11
J
12

0.25
0.5
1.0
1.5
2.0
2.4
3.0
4.0
5.0
5.5
6.0
7.0
8.0
8.65
0.98
0.94
0.77
0.51
0.22
0
-0.26
-0.40

-0.18
0
0.15
0.30
0.17
0
0.12
0.24
0.44
0.56
0.58
0.52
0.34
-0.07
-0.33
-0.34
-0.28
0
0.23
0.27
0.01
0.03
0.11
0.23
0.35
0.43
0.49
0.36
0.05
-0.12

-0.24
-0.30
-0.11
0.06


0.02
0.06
0.13
0.20
0.31
0.43
0.36
0.26
0.11
-0.17
-0.29
-0.24



0.01
0.03
0.06
0.13
0.28
0.39
0.40
0.36
0.16

-0.10
-0.23




0.01

0.04
0.13
0.26
0.32
0.36
0.35
0.19
0.03






0.01
0.05
0.13
0.19
0.25
0.34
0.34
0.26

0.02
0.05
0.09
0.13
0.23
0.32
0.34








0.02
0.03
0.06
0.13
0.22
0.28

0.01
0.01
0.02
0.06
0.13
0.10










0.01
0.02
0.06
0.10

0.01
0.03
0.05












0.01
0.02

Bảng hàm Bessel

J
1
J
2
J
0
Hình 3
-
2:Giá trò hệ số Bessel đối với J
0
, J
1
, J
2
phụ
thuộc mf
mf

0,2

0,4

0,6

0,8

1

Từ đồ thò hình 3.2 ta có nhận xét:

- Biên độ hàm Bessel thay đổi trong khoảng: (-1)  (+1).
- Có một số m
f
= 2,4; 5,5; 8,6; 75… có J
0
= 0. Như vậy ta không được chọn m
f
có
các giá trò này vì nó sẽ làm mất thành phần tải tin 
0
.
- Với một số m nhất đònh thì J
1,2
= 0.
- n càng cao thì J
n
càng giảm và m càng lớn thì J
n
cũng càng giảm. Về lý thuết
n = , nhưng thực tế ta chỉ chú ý đến các thành phần tần số có
J
n
(m
f

) > 0,01J
0
(m
f
) .
Phổ của các hàm Bessel bậc lẻ ngược pha nhau, còn phổ của các hàm
bessel bậc chẵn cùng chiều với nhau:
J
(2n + 1)
(m) = -J
-(2n + 1)
(m) (3.17)
J
2n(m)
= J
-2n
(m)
 Khi chỉ tính đến các thành phần có J
n
(m
f
)  0,01 thì bề rộng dải tần của tín hiệu
điều tần chiếm là:


 Khi m
f
> 1 ta có biểu thức gần đúng
D
FM

 2m
f

max
= 2 (3.19)





Như vậy độ rộng dải tần của tín hiệu điều tần không phụ thuộc tần số
điều chế . Đối với tín hiệu điều pha, độ rộng dải tần của nó được xác đònh
gần đúng :
D
PM
 2m
p

max
= 2
max
. (3.20)
V
FM
= V
0
J
0
(m)cos
0

t + J
n
(m) cos(
0
+ n)t + (-1)
n
. cos(
0
- n)t (3.16)

D
FM
= 2(m
f
+
f
m
+1)
max
(3.18)


J
2

J
3

J
1

J
0

J
1

J
2

J
3

J
n
(m)

0

Hình 3
-
3: Phổ của hàm Bessel

Vậy độ rộng dải tần của tín hiệu điều pha phụ thuộc tần số điều chế .
 Khi m
f
1thì chỉ có một cặp biên tần có biên độ lớn hơn 5% biên độ dải
tần. Do đó:
D
FM

 2
max
(3.21)
Trong trường hợp độ rộng dải tần của tín hiệu điều tần bằng độ rộng
dải tần của tín hiệu điều biên, ta gọi là điều tần dải hẹp. Ngược lại khi m
f
,
p

>1ta gọi là điều tần dải rộng.
- Thông thường tín hiệu điều chế là tín hiệu bất kỳ gồm nhiều thành phần
tần số. Lúc đó tín hiệu điều chế tần số và điều chế pha có thể biểu diễn
tổng quát theo biểu thức sau:
   
22.3coscos
1
00









m
i
iiiFM
tmVV



Trong đó: 
i
góc pha đầu; vì hiệu pha khác nhau của các thành phần
phổ của tín hiệu điều chế có tính chất quyết đònh đối với dạng tín hiệu tổng
quát của nó.
Khai triển (3.22) theo chuỗi Bessel ta có h điều tần với tất cả thành
phần tần số tổng hợp:

Với 
i
: là số nguyên hữu tỷ: -    
Khi tần số điều chế thay đổi ( biến thiên) thì bề rộng phổ của tín
hiệu điều tần không thay đổi nhưng số vạch phổ thay đổi theo . Ngược lại,
khi tần số điều chế thay đổi thì bề rộng phổ của tín hiệu điều pha thay đổi,
nhưng số vạch phổ không thay đổi.
Hình 3-4 minh họa sự khác nhau về bề rộng phổ và số vạch phổ của
tín hiệu điều tần và điều pha.


0
+ 
i

i
(3.23)
m

i = 1

III. Mạch điều tần và điều pha:
Về nguyên tắc có thể phân biệt mạch điều tần gián tiếp cà mạch điều
tần trực tiếp, cũng như mạch điều pha gián tiếp và mạch điều pha trực tiếp.
Trong đó điều tần gián tiếp là điều tần thông qua điều pha (hình 3-1a) và
ngược lại điều pha gián tiếp là điều pha thông qua điều tần (hình 3-1b). Như
vậy ta chỉ cần nghiên cứu các mạch điều tần trực tiếp và mạch điều pha trực
tiếp, rồi dựa vào sơ đồ khối trên hình 3-1 suy ra được điều tần gián tiếp và
điều pha gián tiếp.





Xét phổ
âm thanh của
người, ta thấy
thực tế ở tần số
cao biên độ âm
bò giảm nhỏ. Do
đó ở tần số cao
độ di tần nhỏ vì
 = kV


nghóa
là tín hiệu điều
tần bò méo.

min

max


Hình 3
-
5: Phổ của tín hiệu điều chế âm tần (V

)

0

Hình 3
-
6:Mạch nâng cao tần(a) ở ma
ùy phát và
mạch giảm tần cao (b) ở máy thu.
V


V


KAT

Điều tần

R

R

C

C

a)

b)

f

f

f

mf = 5

mf = 1


= 1kHz


= 5kHz


= 5kHz













(a)

(b)

Hình 3
-
4: Bề rộng phổ và số vạch phổ của tín hiệu
điều tần (a); và của tín hiệu điều pha (b)
Để khắc phục ở phía máy phát trước khi đưa tín hiệu điều chế V

vào
bộ điều tần, ta phải đưa qua bộ khuếch đại nâng tần số cao (emphasis) để
trong dải tần số điều chế ta có   const.
Ngược lại trong máy thu ở tần đầu của bộ khuếch đại âm tần ta phải

cho tín hiệu đã điều chế qua bộ suy giảm tần số (deemphasis) để nhận được
tín hiệu trung thực ở loa. (hình 3-6)
1. Mạch điều tần trực tiếp:
Khi điều tần trực tiếp, tần số dao động riêng của mạch tạo dao động
được điều khiển theo tín hiệu điều chế.
Mạch điều tần trực tiếp thường được thực hiện bởi các mạch tạo dao
động mà tần số dao động riêng của nó được điều khiển bởi dòng điện hoặc
áp (VCO: Voltage controlled oscillator và CCO: Circuit controlled oscillator)
hoặc bởi các mạch biến đổi điện áp – tần số. Các mạch tạo dao động biến
đổi theo điện áp đặt vào có thể là mạch tạo dao động xung hoặc các mạch
tạo dao động điều hòa LC. Các mạch tạo dao động LC cho khả năng biến
đổi tần số khá rộng và có tần số trung tâm cao. Nguyên tắc thực hiện điều
tần trong các bộ tạo dao động theo điện áp đặt vào. Phương pháp phổ biến
nhất là dùng diode biến dung (varicap) và transistor điện kháng.
a) Điều tần dùng trasistor điện kháng:
Phần tử điện kháng: dung tính hoặc cảm tính có trò số biến thiên theo
điện áp điều chế đặt trên nó được mắc song song với hệ dao động của bộ
tạo dao động làm cho tần số dao động thay đổi theo tín hiệu điều chế. Phần
tử điện kháng được thực hiện nhờ một mạch di pha mắc trong mạch hồi tiếp
của một transistor. Có 4 cách mắc mạch phần tử điện kháng như biểu diễn
trong bảng 3.1
Với mạch phân áp RC ta tính được:
Cj
1
S
Cj
1
R
Cj
1

R
Cj
1
SU
U
SU
U
I
U
Z
BE








S: hỗ dẫn