Chương 5 Tín hiệu điều chế

CHƯƠNG 5: Tín hiệu điều chế
I. Cơ bản về tín hiệu điều chế
1. Khái niệm
2. Phân loại các phương pháp điều chế
II. Điều chế tương tự
1. Tín hiệu điều chế tương tự ở băng tần cơ sở
2. Tín hiệu điều chế cao tần
III. Tín hiệu điều chế số

1.
2.
3.

Khái niệm
Phân loại
Các đặc điểm của tín hiệu điều chế số

IV. Tín hiệu trải phổ

4.
5.

Khái niệm
Phân loại

1


I. Cơ bản về tín hiệu điều chế

1.

Khái niệm

- Khái niệm: Điều chế là quá trình biến đổi một trong các thông số sóng mang cao tần (biên độ,hoặc tần số, hoặc pha) tỷ lệ với tín
hiệu điều chế băng gốc (BB -base band)

2


I. Cơ bản về tín hiệu điều chế

1.

Khái niệm

- Mục đích của việc điều chế:

•. Bức xạ năng lượng của tín hiệu cao tần có hiệu quả khi bước sóng của nó cùng bậc với kích thước vật lý của anten.
•. Tín hiệu cao tần ít bị suy hao khi truyền đi trong không gian
•. Quá trình điều chế chuyển phổ của tín hiệu băng gốc lên băng tần thích hợp

3


I. Cơ bản về tín hiệu điều chế

1.

Khái niệm

- Điều kiện điều chế :
+ Tần số sóng mang cao tần lớn hơn hoặc bằng 8 đến 10 lần tần số song mang BB
+ Thông số sóng mang cao tần (hoặc biên độ, hoặc tần số, hoặc pha) biến đổi tỷ lệ với biên độ tín hiệu điều chế BB mà không phụ
thuộc vào tần số của nó.
+ Biên độ sóng mang cao tần lớn hơn biên độ tín hiệu điều chế BB

4


I. Cơ bản về tín hiệu điều chế
2. Phân loại các phương pháp điều chế
- Có hai phương pháp điều chế cơ bản:
+ Điều chế tương tự:

•
•

Tín hiệu điều chế băng tần cơ sở (PAM, PFM, PWM, PPM)
Tín hiệu điều chế cao tần (AM, FM, PM)

+ Điều chế số (ASK, FSK, PSK...)

5


II. Điều chế tương tự
1. Tín hiệu điều chế tương tự ở băng tần cơ sở
- Tín hiệu điều chế băng tần cơ sở hay điều chế tín hiệu băng tần cơ sở là việc chuyển phổ tín hiệu từ miền tần số thấp sang miền tần số cao sử
dụng sóng mang là các dãy xung cao tần. Một dãy xung cao tần có 4 tần số cơ bản:
+ Biên độ

+ Độ rộng xung
+ Chu kỳ xung
+ Pha xung

U0

ω
T=

tk

1
f

6


II. Điều chế tương tự

1.

Tín hiệu điều chế tương tự ở băng tần cơ sở

- Ứng với tham số có 4 phương thức điều chế:
+ Điều chế biên độ xung PAM (Pulse amplity modulation)
+ Điều chế tần số xung PFM (Pulse frequency modulation)
+ Điều chế độ rộng xung PWM (Pulse wide modulation)
+ Điều chế pha xung PPM (Pulse phase modulation)

7

Điều chế biên độ xung PAM
- Điều chế biên độ xung PAM là việc mang tin tức ghép vào biên độ dãy xung cao tần làm biên độ dãy xung cao tần biến đổi theo tin tức.
- Dãy xung p(t), tín hiệu tin tức dạng sóng sin m(t). Tín hiệu sau điều chế là tích của hai tín hiệu p(t).m(t)

8


Điều chế biên độ xung PAM

9


Điều chế xung
- Điều chế tần số xung là mang tin tức ghép vào tần số tín hiệu cao tần làm tần số cao tần biến đổi theo tin tức

-

Điều chế độ rộng xung PWM là mang tin tức ghép vào độ rộng xung cao tần làm độ rộng xung cao tần biến đổi theo tin tức

- Điều chế pha xung PPM là mang tin tức ghép vào pha của tín hiệu cao tần làm pha tín hiệu cao tần biến đổi theo tin tức

10


Điều chế xung

11

Điều biên AM
- Điều chế biên độ là quá trình làm thay đổi biên độ sóng mang cao tần theo tín hiệu tin tức (tín hiệu băng gốc).
* Phương trình điều chế và hệ số điều chế
- Tín hiệu sóng mang thường là tín hiệu sin, cos có tần số cao
- Tín hiệu AM có dạng:

xc (t ) = Vc cosωc t
y AM (t ) = [Vc + m(t )]cosωct

12


Điều biên AM

m(t ) = Vm cosωmt

- Xét trường hợp m(t) là một tín hiệu cos đơn tần:

ω

ω

(t )chế
= [(chỉ
Vc số+điều
Vm cos
]cos
Vc [1thì+ Vm
: hệysố

chế). Đểm tđiều
chế không
AMđiều
c t = méo

-

/ Vc .cosωmt ]cosωct = Vc [1 + mAcosωmt ]cosωct

Trong trường hợp m(t) là tổng các tín hiệu sin đơn tần:

mA

với

mtrường
(t ) = hợp
V1cos
ωquát
Trong
tổng
1t + V2 cosω2t

+ V3cosω3t + ...

mA = m12 + m22 + m32 + ...
mi =

Vi
, i = 1, 2,3,...

Vc

mA =

Vmax − Vmin
Vmax + Vmin
13


Điều biên AM
* Dạng sóng tín hiệu AM

a) Tín hiệu điều chế

b) Tín hiệu AM

14


Điều biên AM
- Tín hiệu AM sau điều chế được cho qua điện trở 1. Công suất rơi trên điện trở khi đó gọi là công suất chuẩn:
Trong đó:

là công suất của sóng mang;

- Nếu tín hiệu là điện ápPthì:
AM − St
- Nếu tín hiệu là dòng điện thì:

= PC − St

là công suất của tín hiệu điều chế khi cho qua điện trở R.

1
+ Pm − St
2

Pm − St
P
C
−
St
- Hiệu suất điều chế: Bằng công suất có ích (công suất mang tin tức) chia cho công suất của toàn bộ tín hiệu AM.
PAM =

PAM − St
R

PAM = PAM − St × R

1
1
Pm
Pm − St
η=2 =2
PAM
PAM − St
15

Ví dụ
Ví dụ 1: Tín hiệu AM điện áp được điều chế bởi một tín hiệu sin đơn tần
, hiệu suất điều chế?

m(t ) = V cosωmt

Ví dụ 2: Cho tín hiệu tin tức
m
Tín hiệu sóng mang

Vmax

. Biết

Vmin

=50V,

=10V. Tính

mA

,

Vm

,

PAM

Vẽ dạng tín hiệu sau điều chế AM

m(t ) = 10cos32.103 π t

xc (t ) = 20sin 256.103 π t

16


Điều tần FM

-

Điều chế tần số là quá trình làm thay đổi tần số sóng mang cao tần theo tín hiệu tin tức (tín hiệu băng gốc).
Phương trình điều chế

cho

và pha ban đầu sóng mang

m(t ) = Vm cosωmt
Với

là độ lệch tần số,

θ0 = 0

là chỉ sốt điều chế

t



t



yFM (t ) = Vc cos  ∫ ω (τ )dτ ÷ = Vc cos  ∫ [ωc + k f m(τ )]dτ ÷ = Vc cos  ωc + k f ∫ m(τ )dτ ÷
0
0

0




k f Vm


yFM (t ) = Vc cos  ωc t +
sin ωmt ÷ = Vc cos ( ωct + m f sin ωmt )
ωm



kf
17


Điều tần FM

18


Điều pha PM
- Điều chế pha là quá trình làm thay đổi pha sóng mang cao tần theo tín hiệu tin tức (tín hiệu băng gốc).
- Biểu thức của tín hiệu điều pha:
- xét trường hợp tín hiệu điều chế là sin đơn tần
Trong đó

là độ lệch pha
yPM là(thệ)số=điềuVchế,
cos
(ωc t + k p m(t ))
c

m(t ) = Vm cosωmt

yPM (t ) = Vc cos (ωc t + k pVm cosωmt ) = Vc cos (ωc t + m p cosωmt )
m p = k pVm

19


Điều pha PM

20


Tín hiệu điều chế số
- Khái niệm: Điều chế số là quá trình sử dụng tín hiệu số để làm thay đổi các thông số của sóng mang cao tần. Các

thông số này bao gồm: Biên độ, tần số và pha.

21


Phân loại tín hiệu điều chế số
- Căn cứ vào các thông số của sóng mang bị thay đổi thì có các loại điều chế cơ bản sau:
+ Khóa dịch biên độ (ASK- Amplitude Shift Keying)
+ Khóa dịch tần (FSK- Frequency Shift Keying)
+ Khóa dịch pha (PSK-Phase Shift Keying)
- Căn cứ theo trạng thái mã hóa thì có thể phân ra làm hai loại điều chế số đó là: Điều chế nhị phân và điều chế hạng M
- Ngoài ra còn có phương pháp điều chế được kết hợp từ các phương pháp điều chế cơ bản trên.

22


Điều chế khóa dịch biên 2 mức BASK
- BASK (Binary Amplitude Shift Keying): Là phương pháp điều chế dùng 2 biên độ khác nhau của sóng mang để biểu diễn bít 0 và
bít 1. Bít 1 được truyền đi bởi sóng mang E1 và bit 0 được truyền đi bởi sóng mang E2
- Thường E2=0- thì chỉ có hai trạng thái ký hiệu, đó là trạng thái có sóng mang hay không có sóng mang, quá trình này còn được
gọi là quá trình khóa đóng mở (ON-OFF- Keying-OOK). Khi này có thể biểu diễn:
Tổng quát:

g BASK

 A cos(ω0t + ϕ )
=
0


x ( n) = 1
x ( n) = 0

g BASK (t ) = A.x( n).cos(ω0t + ϕ )
23


Điều chế khóa dịch biên 2 mức ASK

24


Ví dụ
- Ví dụ: Cho dữ liệu đầu vào bộ điều chế ASK: 01101, sóng mang có dạng
hiệu BASK với

g (t ) = A.sin(ωc t )

. Hãy vẽ dạng sóng của tín

Tc = Tb

25