Giáo trình điện tử thông tin phần 1

1

Chơng 1

Các khái niệm cơ bản
của hệ thống ĐIệN Tử THÔNG TIN
1.1 Các thnh phần của hệ thống điện tử thông tin
1.1.1 Sơ đồ khối của hệ thống Điện tử THÔNG TIN
Trong điện tử thông tin, thông tin đợc truyền từ nơi ny đến nơi khác bằng thiết bị
điện tử thông qua môi trờng truyền. Sơ đồ khối cơ bản của hệ thống đợc biểu diễn
nh hình 1.1:
Tín hiệu vo:
âm thanh, dữ
liệu, hình ảnh

Máy phát
Tx

Môi trờng
truyền

Máy thu
Rx

Nhiễu

Nhiễu

Nhiễu

Tín hiệu ra

Hình 1.1. Sơ đồ khối của hệ thống điện tử thông tin
+ Máy phát: Tập hợp các linh kiện v mạch điện tử đợc thiết kế để biến đổi tin tức
thnh tín hiệu phù hợp với môi trờng truyền.
+ Môi trờng truyền: Phơng tiện để truyền thông tin, có thể l dây dẫn (gọi l hữu
tuyến nh cáp đồng trục, cáp sợi quang) hoặc l khoảng không gian từ nơi phát đến nơi
thu (gọi l vô tuyến, nh trong thông tin vi ba số, thông tin vệ tinh)
+ Máy thu: Tập hợp các linh kiện v mạch điện tử đợc thiết kế để nhận tín hiệu từ môi
trờng truyền, xử lý v khôi phục lại tín hiệu ban đầu.
+ Nhiễu: Tín hiệu ngẫu nhiên không momg muốn, xen lẫn vo tín hiệu hữu ích, lm sai
dạng tín hiệu ban đầu. Nhiễu có thể xuất hiện trong cả 3 quá trình phát, truyền dẫn v
thu. Do đó việc triệt nhiễu l một vấn đề quan trọng cần đợc quan tâm trong hệ thống
điện tử thông tin nhằm nâng cao chất lợng tín hiệu truyền dẫn.
1.1.2 Sơ đồ khối của máy phát


2
Máy thu thanh v máy thu hình dân dụng thờng đợc đổi tần 1 lần. Máy thu thông
tin chuyên dụng đợc đổi tần 2 lần nhằm tăng độ chọn lọc v loại bỏ nhiễu tần số ảnh.
Các tín hiệu ban đầu (nguyên thuỷ) dạng tơng tự hay số cha điều chế đợc gọi l
tín hiệu băng gốc (Base Band Signals). Tín hiệu băng gốc có thể đợc truyền trực tiếp
trong môi trờng truyền nh điện thoại nội bộ (Intercom), giữa các máy tính trong
mạng LAN... hoặc truyền gián tiếp bằng kỹ thuật điều chế.
+ Điều chế: l quá trình biến đổi một trong các thông số của sóng mang cao tần hình
sine (biên độ, tần số hoặc pha) tỉ lệ với tín hiệu băng gốc. Có ba loại điều chế tơng tự
cơ bản: điều biên AM, điều tần FM, điều pha PM v các biến thể của nh SSB, DSB,
SAM... Có ba loại điều chế số cơ bản: ASK, FSK, PSK v các biến thể của nh CPFSK,
QPSK, M-PSK, M-QAM...

Tín hiệu

vo

Điều chế

Đổi tần

KĐCS
cao tần

Tổng hợp
tần số

Điều
khiển số

Hình 1.2 Sơ đồ khối tổng quát của máy phát
+ Đổi tần: (Trộn tần-Mixer) l quá trình dịch chuyển phổ của tín hiệu đã điều chế lên
cao (ở máy phát) hoặc xuống thấp (ở máy thu) m không thay đổi cấu trúc phổ (dạng
tín hiệu) của nó để thuận tiện cho việc xử lý tín hiệu.
+ Tổng hợp tần số: (Frequency Synthesizer) l bộ tạo nhiều tần số chuẩn có độ ổn định
cao từ một hoặc vi tần số chuẩn của dao động thạch anh.
+ Khuếch đại công suất cao tần: Khuếch đại tín hiệu đã điều chế ở tần số no đó đến
mức công suất cần thiết, lọc, phối hợp trở kháng với anten phát.
+ Anten phát: l phần tử biến đổi năng lợng điện cao tần thnh sóng điện từ bức xạ
vo không gian.


3
1.1.3 Sơ đồ khối của máy thu

KĐCT
(LNA)

Đổi tần
1

KĐTT
1

Đổi tần
2

KĐTT
2

Giải
điều chế

KĐCS

AGC
Tổng hợp
tần số

Điều
khiển số

Hình 1.3 Sơ đồ khối tổng quát của máy thu
+ Anten thu: l phần tử biến đổi năng lợng sóng điện từ thnh tín hiệu cao tần ở ngõ
vo của máy thu, anten có tính thuận nghịch.

+ Bộ khuếch đại cao tần tín hiệu nhỏ: (RFAmp) thờng l bộ khuếch đại nhiễu thấp
LNA (Low Noise Amplifier). Nó khuếch đại tín hiệu thu đợc từ anten đến mức cần
thiết để đổi tần xuống trung tần.
+ Bộ khuếch đại trung tần: IF Amp (Intermediate Frequency Amplifier): Bộ khuếch
đại có độ chọn lọc cao, hệ số khuếch đại lớn để tăng điện áp tín hiệu đến mức cần thiết
cho việc giải điều chế. ở nhiều máy thu hiện đại, nhằm tăng chất lợng, việc đổi tần
đợc thực hiện 2 lần nh hình vẽ.
+ Giải điều chế: (Demodulation) l quá trình khôi phục lại tín hiệu ban đầu (tín hiệu
đa vo điều chế ở máy phát) từ tín hiệu trung tần.
+ Mạch điện tử thông tin liên quan đến tần số cao: Bộ tổng hợp tần số, Bộ điều khiển
số, tải chọn lọc tần số không thuần trở, phối hợp trở kháng, anten, mạch xử lý tín hiệu...
Ngy nay, công nghệ hiện đại đã chuẩn hoá vi mạch hầu hết phần cao tần tín hiệu
nhỏ của máy thu v máy phát.


4
1.2 . Phổ tần số
Việc phân loại phổ tần số ra nhiều dải tần để nâng cao hiệu quả sử dụng ở máy thu:
Tên dải tần
Tần số cực thấp (ELF)

Tần số

Bớc sóng

(30 - 300) Hz

10 7 ữ 10 6 m

(300 - 3000) Hz

10 6 ữ 10 5 m

(3 - 30)KHz

10 5 ữ 10 4 m

(30 - 300)KHz

10 4 ữ 10 3 m

(300 - 3000)KHz

10 3 ữ 10 2 m

(3 - 30)MHz

10 2 ữ 10 1 m

(30 - 300)MHz

10 ữ 1 m

(300 - 3000)MHz

1 ữ 10 1 m

(3 - 30)GHz

10 1 ữ 10 2 m

(30 - 300)GHz

10 2 ữ 10 3 m

Extremly Low Frequency
Tần số tiếng (VF)
Voice Frequency
Tần số rất thấp (VLF)
Very Low Frequency
Tần số thấp (LF)
Low Frequency
Tần số trung bình (MF)
Medium Frequency
Tần số cao (HF)
High Frequency
Tần số rất cao (VHF)
Very High Frequency
Tần số cực cao (UHF)
Ultra High Frequency
Tần số siêu cao (SHF)
Super High Frequency
Tần số siêu cực cao (EHF)
Extremly High Frequency
Vùng ánh sáng Hồng ngoại (IR)

0,7 ữ 10 m

Infrared
Vùng ánh sáng thấy đợc

The Visible Spectrum (Light)

0,4 ữ 0,8m


5
Dải tần Vi ba (Microwave) có tần số từ 1GHz đến 40GHz đợc chia lm nhiều dải nhỏ:
L Band

:

(1 - 2) GHz

S Band

:

(2 - 4) GHz

C Band

:

(4 - 8) GHz

X Band

:

(8 - 12) GHz

Ku Band :

(12 - 18) GHz

K Band

:

(18 - 27) GHz

Ka Band :

(27 - 40) GHz

1.3 Băng thông
Băng thông l hiệu giữa tần số lớn nhất v tần số nhỏ nhất của tín hiệu. Đó l
khoảng tần số m phổ tín hiệu chiếm giữ hoặc l khoảng tần số tín hiệu đợc truyền từ
máy phát đến máy thu. Khi tín hiệu ban đầu đợc điều chế lên sóng mang cao tần, phổ
của tín hiệu cao tần đã điều chế chiếm giữ một băng thông quanh tần số sóng mang.
Tuỳ theo kiểu điều chế m băng thông cao tần có độ rộng khác nhau. Các kỹ thuật viễn
thông hớng đến việc giảm băng thông tín hiệu truyền, giảm nhiễu, tiết kiệm phổ tần
số.
1.4 Các ứng dụng kỹ thuật thông tin điện tử
1.4.1 Thông tin một chiều (Simplex)
- Phát thanh quảng bá AM, FM
- Truyền hình quảng bá
- Truyền hình cáp
- Nhắn tin
- Đo xa, điều khiển xa

1.4.2 Thông tin hai chiều (Duplex)
- Điện thoại công cộng
- Điện thoại vô tuyến di động hoặc cố định
- Điện thoại di động tế bo
- Truyền hình tơng tác


6
- Thông tin của các trạm mặt đất thông qua vệ tinh
- Thông tin hng không, thông tin vi ba số
- Thông tin số liệu giữa các máy vi tính...
1.5 Một số khái niệm cơ bản về cao tần
1.5.1 Bán dẫn công suất cao tần
Để có đợc công suất lớn ở tần số cao, BJT công suất cao tần đợc chế tạo bằng
công nghệ đặc biệt, nhiều tiếp giáp Emitter nhằm tăng chu vi dẫn dòng điện cao tần,
giảm điện trở cực Base v các điện dung kí sinh.
C

B
Base

Điện trở
cân bằng
Emitter
E

Hình 1.4 Cấu trúc BJT công suất cao tần
Số tiếp giáp Emitter có thể vi chục, vi trăm hoặc hơn nữa.

Cbc

rbb
B

rbe = Rip

B
Cbe

E
Hình 1.5 Mạch tơng đơng ngõ vo BJT công suất cao tần

rbb =rb l điện trở của bản thân cực base (phụ thuộc vo bề dy của base)


7
Bản chất BJT l luôn luôn tồn tại các điện dung mối nối ( C b e , C b c , C ce ) ảnh hởng
,

,

đến hệ số khuếch đại ở tần số cao, lm giới hạn tần số hoạt động của BJT.
Thông thờng, kiểu khuếch đại cao tần mắc E chung cho công suất ra lớn. Tuy
nhiên ở tần số cao, hồi tiếp âm điện áp qua C b c tăng, lm giảm hệ số khuếch đại. Tụ
,

ny tác động nh tụ Miller tơng đơng có giá trị lớn ở ngõ vo: CinMiller = Cb c (1 + AV )
,

trong đó AV l hệ số khuếch đại điện áp của mạch. Từ đó, tạo ra tụ tơng đơng ở ngõ
vo của BJT công suất cao tần nh hình 1.6, có giá trị Cin = CinMiller + Cb e

,

C

B
E
CMiller

Cbe

Cin
Hình 1.6 Tụ tơng đơng ngõ vo BJT công suất cao tần
Do đó, trở kháng vo của BJT (ZiQ), Av, hệ số khuếch đại dòng Ai, hệ số khuếch đại
công suất Ap, đều giảm khi tần số tăng. BJT thể hiện quán tính, đáp ứng vo - ra
không tức thời. Giữa dòng Ic v Ib có sự dịch pha, biên độ dòng ra Ic giảm.
Mắc B chung l giải pháp tối u của khuếch đại công suất cao tần, tuy hệ số khuếch
đại công suất của nó nhỏ hơn so với sơ đồ mắc E chung nhng phạm vi tần số hoạt
động cao hơn, băng thông đều v rộng hơn.
JFET v MOSFET có cấu trúc bán dẫn khác BJT, chúng có trở kháng vo lớn, điện
dung tiếp giáp Cgs nhỏ, hoạt động tốt ở tần số cao với công suất lớn ổn định hơn BJT.
JFET v MOSFET công suất cao tần đang đợc dùng rất nhiều trong các hệ thống
thông tin hiện đại nh trạm gốc BTS của điện thoại di động tế bo, phát thanh, truyền
hình, vi ba, SSPA ( Solid State Power Amp), thông tin vệ tinh...


8
1.5.2. Truyền công suất lớn nhất

PRL
X = - XS

XS

X

RS

RL

E = 1V
RS = 1

ZS
X = X S = 1

VRL

E
1

2,2

a)

RL/RS

b)

Hình 1.7 a/ Nguồn cung cấp công suất cho tải ZL
b/ Sự phụ thuộc công suất tải PRL theo RL

PRL = VRL .I = I 2 .RL

Công suất trên tải:


E
PRL =
( RS + RL ) 2 + ( X S + X ) 2
PRL =

2


RL


E 2 .R L
( RS + RL ) 2 + ( X S + X ) 2

XS, X l phần kháng của nội trở nguồn v tải.
Khi XS =-X thì công suất trên tải l PRL =

E 2 .R L
( RS + R L ) 2

Khảo sát sự biến thiên PRL theo RL bằng cách lấy đạo hm, cho bằng zero.
PRL' =

E 2 .[( RS + RL ) 2 RL ]
=0

( RS + R L ) 3

Suy ra RS=RL. Khi đó công suất trên tải l cực đại:
PRL max =

E2
E2
=
4 R L 4 RS

Đồ thị biến thiên PRL theo RL cho ở hình 1.7b.


9
Vậy trở kháng nguồn bằng trở kháng tải RS + jXS = RL - jX hay RS = RL v XS =-X
Ta nói có sự truyền công suất lớn nhất ra tải.
Nếu yêu cầu truyền công suất lớn nhất trong cả một dải tần số thì giá trị thích hợp
cho phối hợp trở kháng không phản xạ l ZL = ZS hay RS + jXS = RL + jX.
Tuy nhiên hiệu suất sẽ nhỏ hơn so với một tần số. Vấn đề ny liên qua đến sự lựa
chọn truyền tín hiệu trên dây truyền sóng.
1.5.3 Mạch điều hởng song song v nối tiếp (Parallel and
Serial Tuned Circuit)
Mạch điều hởng song song:
Cho mạch L, C song song, trong đó r - điện trở tổn hao của cuộn dây. Trở kháng
tơng đơng của mạch điều hởng:
Z eq =

(r + jX L )( jX C )
r + j( X L X C )

XL=L : Cảm kháng cuộn dây.
Xc =

1
: dung kháng của tụ điện.
C

Zeq

C

L

Req(0)

r

0

Hình 1.8 Mạch điều
hởng song song

20

30



Hình 1.9 Đáp tuyến Zeq()

Thông thờng r << XL nên:

Z eq =
mch

XLXC
.
r + j( X L X C )


10
Tại tần số cộng hởng =0=

1
LC

có X L = X C = 0 L =

L
1
=
=
0C
C

- trở kháng đặc tính. Thay thế vo biểu thức tính trở kháng:

Z eq = X

mch (o )

XC 2
Q
=
= Q = 0 LQ =
= R eq
r
r
oC
(o )

L

Q=
mch


r

=

Re q( 0 ) Re q( 0 )
=
.
XL
XC

Q l hệ số phẩm chất của mạch cộng hởng song song.
Băng thông B =

fo
; 0=2fo.
Q

Tại tần số cộng hởng =o, trở kháng của mạch cộng hởng song song coi nh
thuần trở có Req(o) lớn. Tại tần số lệch cộng hởng =no (n = 2,3,..), trở kháng
Zeq(no) coi nh thuần kháng rất nhỏ Zeq(no)=-jn/(n2+1)<< Req(o).
Đáp tuyến của Req(o) có dạng nh hình 1.9
Ví dụ: ở hình 1.8 có C = 10pF; Q = 200; fo = 10MHz. Tính Req(o) v r.
R eq =

Giải:

(o )

Q
200
=
= 318k
o C 2.3.14.10 7.10.10 12

r=

Re q ( 0 ) 318.10 3
=
= 7,96
Q2
200 2

1. Ghép một phần điện cảm mạch cộng hởng:

L2
L

a

C

Req

L1

Ze
b

Hình 1.10 Ghép một phần điện cảm
Ze =

( 0 L1 )2
r

=

( 0 L )2
r

2

L
. 1 ; 0 Z e = P 2 . Re q ( 0 ) Re q ( 0 ) ;
L

P = L1/L : hệ số ghép vo khung cộng hởng.


11
L = L1+L2
2. Ghép một phần điện dung mạch cộng hởng:
2

1


0 C1

=
Ze =
r

C=

1


0C
r

2
2

C

. = P 2 . Re q( 0 )
C1

C2
a

Ze

C1 .C 2
C
;P =
: hệ số ghép.
C1 + C 2
C1

Req

L
C1

b

0 Ze Re q( 0 )

Hình 1.11 Ghép một phần điện dung

Các biến thể cách ghép mạch điều hởng:

C2
a

L2

L3
c

L

Ze1

C1

L1

Ze2

b

C
L2

a

c

Ze1

d

L1

Ze2

b

a)

d

b)

Hình 1.12 a/ Ghép một phần điện dung ngỏ vo, điện cảm ngỏ ra
b/ Ghép một phần điện cảm ngỏ vo v ra
Mạch điều hởng điện tử: thay thế tụ C trong mạch điều hởng song bởi varicap.
CV
+VT

R

C1
L
CV

V
a)

b)

c)

Hình 1.13 a/ Kí hiệu Varicap. b/ Đặc tuyến Varicap.
c/ Mạch điều hởng điện tử
Mạch điều hởng song song v các biến thể dùng lm mạch tiền chọn lọc ngỏ vo máy
thu, tải chọn lọc cao tần, bộ chọn lọc trung tần, dao động, phối hợp trở kháng v.v..
Mạch điều hởng nối tiếp:


12
Zeq = r+jx = r+j(L-1/C)

Trở kháng tơng đơng

Z eq = r 2 + x 2

Tổng trở:

(Zeq) = arctg(x/r)

Góc pha:

Tại tần số cộng hởng nối tiếp 0 có 0L = 1/(0C) nên Zeq(0) = r. Mạch điều hởng
nối tiếp thờng đợc dùng lm mạch lọc.
1.5.4. Mạch phối hợp trở kháng
Xét mạch phối hợp trở kháng cao tần hình 1.14
Zi

Mạch phối
hợp trở kháng

Zi

~ E

Z L = Zi

Nguồn RF
a)

ZL

~ E

ZL Z i

Nguồn RF
b)

Hình 1.14 Nguồn phối hợp trở kháng tải
a/ lý tởng Zi = ZL thuần trở
b/ biến đổi trở kháng Zi thnh ZL hoặc ngợc lại
Một trong những vấn đề quan trọng của máy phát, máy thu l phối hợp trở kháng
có chọn lọc tần số giữa các tầng, đặc biệt giữa tầng công suất ra cao tần với anten phát
hay giữa anten thu với ngõ vo máy thu để truyền công suất tín hiệu lớn nhất v loại
nhiễu. Các mạch phối hợp trở kháng có dạng LC, biến áp hay tổ hợp giữa chúng.
Với trờng hợp a, Zi = ZL có công suất trên tải cực đại.
ở tần số cao (RF) ít khi Zi v ZL l thuần trở m bao giờ cũng có phần kháng no đó. ở
trờng hợp tổng quát Zi ZL hình b/ cần có mạch phối hợp trở kháng để truyền công
suất tín hiệu lớn nhất ra tải. Ví dụ nh cần truyền công suất máy phát cao tần ra tải l
anten phát. Dạng phối hợp trở kháng đơn giản nhất hình gồm có cuộn cảm L v tụ
điện C với các cấu hình khác nhau:

13

Zi

~ E

~ E

ZL

C

L
ZL

L

Nguồn RF

Nguồn RF
a)

b)

Zi=Ri

Zi=Ri
ZL = RL

C

~ E

C

ZL = RL

L

Zi

L

C

~ E

Nguồn RF

Nguồn RF
c)

d)

Hình 1.15 Bốn kiểu mạch phối hợp trở kháng đơn giản hình
Biến áp l một trong những thnh phần phối hợp trở kháng thích hợp nhất. Biến áp lõi
sắt dùng ở tần số thấp, dễ dng biến đổi trở kháng theo yêu cầu tuỳ vo tỉ số vòng
dây cuộn sơ cấp v thứ cấp.

2

np
Zi np
=
= hay
ns
Z L ns

Zi
; np , ns số vòng cuộn dây sơ cấp v thứ cấp.
ZL

Biến áp lõi không khí dùng ở tần số cao có hiệu suất thấp hơn biến áp lõi sắt tần
số thấp. Một lõi sắt từ đặc biệt hình xuyến đợc chế tạo lm biến áp phối hợp trở kháng
ở tần số cao. Kiểu biến áp tự ngẫu lõi xuyến cũng đợc dùng để phối hợp trở kháng
giữa các tầng.
Zi

Zi

~

np

ns

a/ giảm trở kháng

RL

~

np

ns

a/ nâng trở kháng

Hình 1.16 Phối hợp trở kháng dùng biến áp tự ngẫu

RL


14
Tơng tự nh biến áp lõi không khí, biến áp lõi Ferrite buộc từ trờng tạo bởi
cuộn sơ cấp tập trung vo lõi, nhờ đó có một số u điểm quan trọng sau:
Thứ nhất l lõi Ferrite không bức xạ năng lợng cao tần do đó không cần bọc
giáp, trong khi ở lõi không khí thì ngợc lại vì không tập trung đợc từ trờng. Phần
mạch máy thu, máy phát dùng lõi không khí phải bọc kim tránh giao thoa tín hiệu với
phần mạch khác.
Thứ hai l hầu hết từ trờng tạo bởi cuộn sơ cấp đều cắt qua cuộn thứ cấp nên tỷ
số vòng dây cuộn sơ cấp - thứ cấp, tỷ số điện áp vo - ra hay tỷ số trở kháng tơng tự
nh ở biến áp tần số thấp.
Trong nhiều thiết kế mạch tạo cao tần mới, biến áp lõi xuyến đợc dùng phối hợp
trở kháng giữa các tầng. Đôi khi cuộn sơ v thứ cấp của loại biến áp ny đợc dùng lm
điện cảm của mạch điều hởng.
Cuộn cảm lõi xuyến dùng ở RF có u điểm hơn lõi không khí vì độ từ thẩm cao
của lỗi dẫn đến điện cảm lớn, đặc biệt khi đa thêm lõi sắt vo thì điện cảm tăng lọt.
Với ứng dụng trong cao tần, điều đó có nghĩa l giá trị điện cảm sẽ tăng nếu thêm

một số ít vòng dây m kích thớc cuộn cảm vẫn nhỏ. Vi vòng dây có điện trở nhỏ tức
l hệ số phẩm chất Q của cuộn dây lớn hơn so với lõi không khí.
Cuộn dây lõi xuyến từ thực sự thay thế cuộn dây lõi không khí trong các máy phát
hiện đại. ứng dụng nhiều nhất của nó l giảm thiểu số vòng dây m vẫn có giá trị điện
cảm lớn. Biến áp lõi xuyến từ có thể đấu nối cho phép phối hợp trở kháng dải rộng ở
cao tần.
Dấu chấm chỉ pha của vòng dây, tỷ số vòng dây biến áp 1:1 cũng l tỷ số phối
hợp trở kháng.
Zi

a/ Nguồn đối xứng, tải bất đối xứng

1:1

~

ZL = RL

~

ZL = RL

1:1

b/ Nguồn bất đối xứng, tải đối xứng

Hình 1.17 Biến áp Balun kết nối đối xứng hay
bất đối xứng tải với nguồn cao tần.

15

Zi

Zi

ZL = Zi/4

~

~
ZL = 4Zi

a/ Tăng trở kháng từ Zi sang ZL = 4Zi

b/ Giảm trở kháng từ Zi sang ZL = Zi/4

Hình 1.18 Biến áp Balun phối hợp tăng v giảm trở kháng
Nhiều biến áp balun khác có tỷ số biến đổi trở kháng 9:1; 16:1 có đợc bằng cách
mắc nối tiếp biến áp balun có tỷ số biến đổi lớn. Điều chú ý các vòng dây không đợc
gây nên cộng hởng ở tần số lm việc dải rộng.
Biến áp balun dải rộng hữu ích cho thiết kế khuếch đại công suất cao tần dải rộng,
không cần phải điều chỉnh phức tạp phần công suất cao tần, tuy nhiên lọc hi bậc cao
không đợc tốt. Một giải pháp khắc phục l thiết kế phần mức công suất nhỏ dùng
mạch điều hởng loại hi bậc cao, tầng công suất ra cao tần, dải rộng. Bộ khuếch đại
công suất ra cao tần có thể hoạt động ở chế độ A, B, C v D (chế độ đóng mở).
+V

RFC
1:4

16:1

RFin

RA

4:1

4:1

Hình 1.19 Khuếch đại công suất cao tần chế độ A dải rộng dùng
biến áp Balun phối hợp trở kháng.
Trong nhiều trờng hợp, Anten nằm trên cột cao áp cách xa máy phát, máy thu.
Ví dụ Anten thu TV, anten máy phát thanh - phát hình, anten viba v.v. Dây truyền sóng
nối giữa anten phát với ngõ ra máy phát hoặc ngõ vo máy thu với anten thu có trở
kháng bằng nhau thì có công suất lớn nhất. Có hai loại dây truyền sóng cơ bản:


17

Chơng 2

Máy phát
2.1 Định nghĩa v phân loại
Một hệ thống thông tin bao gồm: máy phát, máy thu v môi trờng truyền
sóng nh hình 2.1. Trong đó máy phát l một thiết bị phát ra tín hiệu dới dạng
sóng điện từ đợc biểu diễn dới một hình thức no đó.

Môi trờng

Truyền sóng

Máyphát

Máy thu

Hình 2.1 Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống thiết bị thu phát
Sóng điện từ gọi l sóng mang hay tải tin lm nhiệm vụ chuyển tải thông tin
cần phát tới điểm thu. Thông tin ny đợc gắn với tải tin theo một hình thức điều
chế thích hợp. Máy phát phải phát đi công suất đủ lớn để cung cấp tỉ số tín hiệu trên
nhiễu đủ lớn cho máy thu. Máy phát phải sử dụng sự điều chế chính xác để bảo vệ
các thông tin đợc phát đi, không bị biến dạng quá mức. Ngoi ra, các tần số hoạt
động của máy phát đợc chọn căn cứ vo các kênh v vùng phủ sóng theo qui định
của hiệp hội thông tin quốc tế, nhóm thông tin vô tuyến (ITU-R). Các tần số trung
tâm của máy phát phải có độ ổn định cao. Do đó, chỉ tiêu kỹ thuật của máy phát l:
Công suất ra, tần số lm việc, độ ổn định tần số, dải tần số điều chế. Có nhiều cách
phân loại máy phát
2.1 .1 Theo công dụng

Phát
Thông tin

Cố
định

Di
động

Máy
phát

Phát
Chg trình

Phát
thanh

Phát
hình

Phát
ứng dụng

Đo kh
cách

Hình 2.2 Phân loại máy phát theo công dụng

Ra
đa


18
2.1.2 Theo tần số
+ Phát thanh:
+ 3KHz ữ 30KHz (100Km ữ 10Km): đi phát sóng cực di VLW
+ 30KHz ữ 300KHz (10Km ữ 1Km): đi phát sóng di LW
+ 300KHz ữ 3000KHz (1Km ữ 100m): đi phát sóng trung MW
+ 3MHz ữ 30MHz (100m ữ 10m): đi phát sóng ngắn SW
+ Phát hình v phát thanh FM

+ 30MHz ữ 300MHz (10m ữ 1m): đi phát sóng mét (VHF)
+ 300MHz ữ 3000MHz (1m ữ 0,1m): đi phát sóng dm (UHF)
Trong đó dải tần số dùng trong phát thanh FM: 88MHz ữ 108MHz
+ Thông tin Vi ba v Rađa:
+ 3GHz ữ 30GHz (0,1m ữ 0,01m): đi phát sóng cm
+ 30GHz ữ 300GHz (0,01m ữ 0,001m): đi phát sóng mm
2.1.3 Theo phơng pháp điều chế
+ Máy phát điều biên (AM), DSB
+ Máy phát đơn biên (SSB)
+ Máy phát điều tần (FM) v máy phát điều tần âm thanh nổi (FM Stereo)
+ Máy phát điều xung (PM)
+ Máy phát khoá dịch biên độ ASK, QAM, M-QAM
+ Máy phát khoá dịch pha PSK, QPSK, M-PSK
+ Máy phát khoá dịch tần FSK...
2.1.4 Theo công suất
+ Máy phát công suất nhỏ Pra <100W
+ Máy phát công suất trung bình 100W < Pra < 10KW
+ Máy phát công suất lớn 10KW < Pra < 1000KW
+ Máy phát công suất cực lớn Pra > 1000KW
Ngy nay, trong các máy phát công suất nhỏ v trung bình ngời ta có thể sử
dụng hon ton bằng BJT, FET, MOSFET công suất, còn trong các máy phát có
công suất lớn v cực lớn ngời ta thờng sử dụng các loại đèn điện tử đặc biệt.
2.2 Sơ đồ khối tổng quát của các loại máy phát
2.2.1 Sơ đồ khối tổng quát của máy phát điều biên (AM)


19

Tiền KĐ
âm tần

KĐCSÂT

Điều chế
KĐCSCT

Mạch ra

Tiền KĐ
Cao tần

TBị an ton
&lm nguội

Khối chủ
sóng

Nguồn
Cung cấp

khuếch đại âm tần: Có nhiệm vụ khuếch đại điện áp tín hiệu vo đến mức cần thiết
để đa vo tầng khuếch đại công suất âm tần (KĐCSÂT). Vì đối với máy phát AM
thì biên độ điện áp âm tần yêu cầu lớn để có độ điều chế sâu (m lớn) nên tầng ny
thờng có tầng khuếch đại micro v khuếch đại điện áp mức cao.
+ Khuếch đại công suất âm tần (KĐCSÂT): có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu đến
mức đủ lớn để tiến hnh điều chế tín hiệu cao tần.
+ Khối chủ sóng (Dao động): có nhiệm vụ tạo ra dao động cao tần (sóng mang) có
biên độ v tần số ổn định, có tầm biến đổi tần số rộng. Muốn vậy, ta có thể dùng
mạch dao động LC kết hợp với mạch tự động điều chỉnh tần số (AFC), hoặc dùng
dao động thạch anh.

+ Khối tiền khuếch đại cao tần (TKĐCT): có thể đợc dùng để nhân tần số hoặc
khuếch đại dao động cao tần đến mức cần thiết để kích thích cho tần công suất lm
việc. Nó còn có nhiệm vụ đệm, lm giảm ảnh hởng của các tầng sau đến độ ổn
định tần số của khối chủ sóng. Vì vậy, nó có thể có nhiều tầng: tầng đệm, tầng nhân
tần v tầng tiền khuếch đại công suất cao tần (TKĐCSCT)
+ Khối khuếch đại công suất cao tần (KĐCSCT): có nhiệm vụ tạo ra công suất cần
thiết theo yêu cầu công suất ra của máy phát. Công suất ra yêu cầu cng lớn thì số
tầng khuếch đại trong khối KĐCSCT cng nhiều.
+ Mạch ra để phối hợp trở kháng giữa tầng KĐCSCT cuối cùng v anten để có công
suất ra tối u, đồng thời lọc các hi bậc cao, không ảnh hởng đến các đi xung
quanh.


20
+ Anten để bức xạ năng lợng cao tần của máy phát thnh sóng điện từ truyền đi
trong không gian.
+ Nguồn cung cấp điện áp phải có công suất lớn để cung cấp cho Transistor hoặc
đèn điện tử công suất.
+ Ngoi ra, máy phát phải có thiết bị an ton v thiết bị lm nguội.
2.2.2 Sơ đồ khối tổng quát của máy phát đơn biên (SSB)

Thiết
bị đầu
vo

Bộ kích
thích đơn
biên

Bộ điều

chếđơn
biên

f1

Bộ
đổi
tần

Suy
giảm

Bộ
lọc
1

KĐại
dđộng
đchế

HTDD
tầng ra

Bộ
lọc
2

f2

Bộ tổng hợp

tần số

Nguồn
cung cấp

TB an ton
& lm nguội

Hình 2.4 Sơ đồ khối tổng quát của máy phát đơn biên
Ngoi các yêu cầu kỹ thuật chung của máy phát, máy phát đơn biên (SSB) còn
phải có thêm một số chỉ tiêu kỹ thuật sau đây:
-

Mức méo phi tuyến - 35 dB

-

Bề rộng mỗi kênh thoại v tổng số kênh thoại

-

Tần số lm việc: 1MHz - 30 MHz
Việc xây dựng sơ đồ khối của máy phát đơn biên có một số đặc điểm riêng so

với máy phát điều biên (AM). ở đây các bộ điều biên cân bằng v bộ lọc dải hẹp
đợc sử dụng để tạo nên tín hiệu đơn biên, nhng công suất bị hạn chế chỉ vi mW.
Nếu sóng mang ở dải tần số cao (sóng trung v sóng ngắn) thì không thể thực hiện
đợc bộ lọc với các yêu cầu cần thiết (dải thông hẹp, sờn dốc đứng..) vì vậy sẽ xuất
hiện nhiễu xuyên tâm giữa các kênh, lm giảm tỷ số tín hiệu trên nhiễu. Vì vậy, đối
với máy phát đơn biên thì tần số sóng mang cơ bản để tạo đơn biên ở khoảng tần số

trung gian: ( f 1 =100KHz-500KHz). Do đó, sơ đồ cấu trúc của máy đơn biên gồm
một bộ tạo tín hiệu đơn biên ở tần số trung gian (100-500)KHz sau đó nhờ một vi


21
bộ đổi tần để chuyển đến phạm vi tần số lm việc ( f 1 =1MHz-30MHz) rồi nhờ bộ
khuếch đại tuyến tính để khuếch đại đến một công suất cần thiết.
+ Thiết bị đầu vo: thờng lm nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu âm tần nếu tín hiệu
ny còn bé hoặc hạn chế tín hiệu âm tần nếu tín hiệu ny quá lớn.
+ Bộ điều chế đơn biên (BĐCĐB): trong các máy phát công suất lớn BĐCĐB
thờng đợc xây dựng theo phơng pháp lọc tổng hợp. Trong các máy phát công
suất nhỏ, yêu cầu kỹ thuật không cao nên đôi khi có thể sử dụng bộ điều chế đơn
biên theo phơng pháp lọc - quay pha. Khi đó việc điều chế tín hiệu đơn biên có thể
đợc thực hiện ngay ở tần số lm việc nên không cần có bộ đổi tần v bộ lọc 1.
+ Bộ tổng hợp tần số của máy phát đơn biên: l thiết bị chất lợng cao v phức tạp.
Nó phải bảo đảm tần số sóng mang gốc ( f 1 ) v các tần số khác ( f 2 ...) có độ ổn định
tần số rất cao (

f
= 10 7 ữ 10 9 ). Vì vậy, cần dùng thạch anh để tạo các tần số gốc
f

+ Bộ đổi tần: thực chất l bộ khuếch đại cộng hởng để lấy thnh phần hi f 2 = nf 1 .
Chính nhờ bộ đổi tần m độ ổn định tần số của máy phát tăng lên.
+ Bộ lọc 1: có nhiệm vụ lọc các sản phẩm của quá trình đổi tần.
+ Bộ khuếch đại dao động điều chế (KĐDĐĐC): phụ thuộc vo công suất ra m có
số tầng từ 2 đến 4. Để điều chỉnh đơn giản, một, hai tầng đầu l khuếch đại dải rộng
không điều hởng. Còn các tầng sau l các bộ khuếch đại cộng hởng.
+ Hệ thống dao động tầng ra dùng để triệt các bức xạ của các hi v cũng để phối
hợp trở kháng. Trong các máy phát đơn biên bộ lọc đầu ra thờng l một hay hai bộ

lọc hình ghép với nhau v giữa chúng thờng có phần tử điều chỉnh độ ghép để
nhận đợc tải tốt nhất của máy phát. Tầng KĐDĐĐC đơn sử dụng đơn giản hơn so
với tầng đẩy kéo. Song sử dụng tầng đơn thì gặp khó khăn l không phối hợp trở
kháng với anten sóng ngắn đối xứng. Đối với máy phát công suất ra Pra = (20 40)Kw ngời ta dùng biến áp ra đối xứng có lõi Ferrite. Còn đối với máy phát công
suất ra Pra = 100Kw ngời ta dùng biến áp đối xứng không có lõi.
+ Bộ lọc 2: dùng để triệt các thnh phần cao tần xuất hiện trong dải tần số truyền
hình, nên còn gọi l bộ lọc tín hiệu truyền hình. Đối với máy thu đơn biên ta phải
đổi tín hiệu đơn biên thnh điều biên để thực hiện tách sóng trung thực. Muốn vậy
phải phục hồi sóng mang, điều ny yêu cầu vòng khoá pha PLL. Do đó, ở máy phát


22
không triệt tiêu hon ton tần số sóng mang m giữ lại sóng mang có biên độ bằng
(5-20)%. Tần số ny còn đợc gọi l tần số lái, đợc phát cùng tín hiệu đơn biên.
Nhờ đó máy thu đơn biên có thể khôi phục tín hiệu một cách chính xác nhờ hệ
thống tự động điều chỉnh tần số AFC theo nguyên lý PLL.
2.2.3 Sơ đồ khối của máy phát am đa kênh ghép kênh FDM
Dđộg
sóg mg

Kênh 1

Tầng K.
Đại

Điều
chế

Bộ lọc 1

Dđộg
sóg mg

Kênh 2

Tầng K.
Đại

Điều
chế

Bộ lọc 2

.

Dđộg
sóg mg

Kênh n

Tầng K.
Đại

Điều
chế

Mạch
ghép tạo
tín hiệu
tổng hợp

.
.
.

Bộ lọc n

Điều chế
AM

KĐCSCT

Mạch ra

DĐ sg
mg chính

TBị an ton
&lm nguội

Nguồn
Cung cấp

Hình 2.5. Sơ đồ khối của máy phát đa kênh AM ghép kênh FDM


23
2.2.4 Sơ đồ khối tổng quát của máy phát đIều tần Fm

Tiền KĐ

âm tần

TĐKháng
+ ĐC FM

Nhân tần

KĐCSCT
+mạch ra

Khối chủ
sóg (DĐ)

TBị an ton
&lm nguội

Nguồn
Cung cấp

Hình 2.6 Sơ đồ khối tổng quát của máy phát điều tần FM
Tầng điện kháng: sử dụng các phần tử điện kháng để biến đổi tín hiệu âm tần
thnh điện kháng thay đổi (dung kháng hoặc cảm kháng biến thiên) để thực hiện
việc điều chế FM. Phần tử điện kháng có thể l Transistor điện kháng, đèn điện
kháng hoặc Varicap (điện dung biến đổi theo điện áp đặt vo Varicap).

2.2.5 Sơ đồ khối tổng quát của máy phát Fm chất lợng cao

fIF= 10MHz
Tiền KĐ
âm tần

FRF= 100MHz

TĐKháng
+ ĐC FM

Tách sg +
KĐ DC

Nhân tần
(x10)

100MHz

KĐCSCT
+mạch ra

Dao động
chuẩn

1MHz

9,9MHz
Trộn
sóng

K. đại
trug gian
1MHz

Nhân tần
99MHz

Hình 2.7 Sơ đồ khối tổng quát của máy phát điều tần FM chất lợng cao


24
2.3 Các mạch ghép trong máy phát
Mạch ghép để ghép giữa các tầng v ghép giữa tầng ra của máy phát với anten.
Yêu cầu chung đối với mạch ghép:
1. Phối hợp trở kháng
Đối với mạch ghép giữa các tầng: yêu cầu l trở kháng vo của tầng kế tiếp
phản ảnh về cùng với trở kháng ra của bộ cộng hởng tầng trớc đó tạo thnh trở
kháng sóng tối u, đảm bảo công suất ra v hiệu suất của tầng ny l lớn nhất.
Đối với mạch công suất: việc phối hợp trở kháng giữa tầng ra của bộ khuếch
đại công suất cao tần v anten nhằm đạt đợc công suất ra lớn nhất.
2. Đảm bảo BĂNG thông (B)
Mạch lọc đầu ra phải đảm bảo sao cho ngoi biên biên độ không giảm quá
3dB. Mặt khác dải thông tỉ lệ nghịch với hệ số phẩm chất của khung cộng hởng
(B =

fo
). Vì vậy để đảm bảo dải thông v hệ số phẩm chất ta phải dùng nhiều bộ
Q

lọc ghép với nhau.
3. Đảm bảo hệ số lọc hi cao
Đối với những máy phát có công suất lớn, yêu cầu các thnh phần hi rất nhỏ.
Do đó, mạch ghép phải bảo đảm độ suy giảm đạt yêu cầu ở những tần số hi không
mong muốn.

4. Điều chỉnh mạch ghép
Trong một dải tần rộng v thay đổi độ ghép với tải để có tải tối u.
Nói chung không thể đồng thời thoả mãn các yêu cầu trên m tuỳ từng trờng
hợp cụ thể để xét yêu cầu no l quan trọng, yêu cầu no no l thứ yếu. Ví dụ
+ Đối với tầng tiền khuếch đại, yêu cầu phối hợp trở kháng l chính, không yêu cầu
độ chọn lọc cao, không cần hiệu suất cao nên chỉ cần dùng mạch cộng hởng đơn.
+ Đối với tầng ra, yêu cầu hiệu suất cao, độ lọc hi cao nên dùng mạch cộng hởng
phức tạp.
2.3.1 tinh chỉnh anten
Đối với tầng trớc cuối thì điện trở tải chính l điện trở vo của tầng kế tiếp
sau. Còn đối với tầng cuối thì điện trở tải chính l điện trở của phiđơ. Thực chất
phiđơ có thể l thuần trở rA , dung kháng rA jX A , hoặc cảm kháng rA + jX A .


25
Nhng chỉ khi anten thuần trở thì công suất ra anten mới lớn nhất. Muốn vậy, phải
chỉnh anten cộng hởng ở tần số lm việc bằng bộ phận tinh chỉnh. Nếu l
rA jX A thì chỉnh Lc v nếu l rA + jX A thì chỉnh bằng C C nh hình 2.8. Hình minh

họa tinh chỉnh của anten

Hình 2.8 Sử dụng cuộn cảm v tụ để tinh chỉnh anten
2.3.2 Ghép biến áp (ghép hỗ cảm)
Mạch ghép biến áp l một trong những mạch ghép đợc sử dụng phổ biến
trong máy phát

Hình 2.9 Mạch ghép tải ra bằng biến áp
Từ mạch ghép biến áp ở trên, ta đa về sơ đồ tơng đơng bên sơ cấp nh hình 2.10:

26

L1

C

r
rfa

Hình 2.10 Sơ đồ tơng tơng của mạch
đợc qui về bên sơ cấp
Trong đó, điện trở phản ảnh đợc xác định nh biểu thức:

r fa

2
X gh
( M ) 2
=
=
RL
RL

(2.1)

M = k L1 L2

(2.2)

Với: RL l điện trở tải

+M

: Hỗ cảm

+ L1, L2

: Trị số điện cảm của cuộn sơ cấp v thứ cấp.

+k

: Hệ số ghép phụ thuộc kết cấu của cuộn dây:

- Nếu Sóng ngắn : k = 0,01 ữ 0,1 (ghép rất lỏng).
Sóng trung : k = 0,5 ữ 0,9 (cuộn dây có lõi từ tính, ghép rất chặt).
* Điện trở cộng hởng riêng của mạch sơ cấp:
RK =

L1 2
với =
=
rC
r

L1
C

(2.3)

* Điện trở cộng hởng của mạch khi có tải:
Rtd =

2
r + r fa

(2.4)

* Hiệu suất của mạch ghép biến áp đợc biểu diễn bởi biểu thức:
BA =

Trong đó :

PL
P1

PL : l công suất hữu ích trên tải.
P1 : Công suất trên cuộn sơ cấp.

(2.5)