Điều biến tương tự và điều biến số

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------

BÁO CÁO ĐỒ ÁN
Môn học: Điều biến tương tự và điều biến số
Đề tài: Điều chế FM
GVHD: Prof. Dr. Lê Tiến Thường
Nhóm 14:
Nguyễn Minh Hùng - 1511355
Hà Huy Dũng

- 1510551

Đinh Hoàng Minh

- 1511962

------------1


Lời giới thiệu
Sau khi nhận đề tài và qua thời gian tìm hiểu, nhóm của chúng em đã đúc kết được một số lý
thuyết cũng như kiến thức trong việc điều chế FM. Thông qua bài báo cáo này, chúng em xin
trình bày một số vấn đề cũng như khái niệm liên quan tới đề tài.
Đầu tiên, để giới thiệu điều chế là gì: 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).
Mục đích của việc điều chế:
-

Đối với một anten, bức xạ năng lượng của tín hiệu cao tần có hiệu quả khi bước sóng của
nó (tương ứng cũng là tần số) cùng bậc với kích thước vật lý của anten.
Tín hiệu cao tần ít bị suy hao khi truyền đi trong không gian
Mỗi dịch vụ vô tuyến có một băng tần (kênh) riêng biệt. Quá trình điều chế giúp chuyển
phổ của tín hiệu băng gốc lên các băng tần thích hợp.

Điều kiện điều chế:
-

Tần số sóng mang cao tần fC (8-10) fmax, trong đó fmax là tần số cực đại tín hiệu điều chế
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 V > Vm (biên độ tín hiệu điều chế BB).

Điều chế tần số (hay biến điệu tần số, tiếng Anh: Frequency modulation viết tắt là "FM") được
áp dụng trong kỹ thuật vô tuyến điện và kỹ thuật xử lý tín hiệu. Người ta có thể truyền thông tin
trên một sóng mang cao tần bằng hai cách chính:
-

Thay đổi tần số sóng mang theo tín hiệu cần truyền, trong khi biên độ của sóng mang cao
tần không thay đổi, đó là kỹ thuật điều chế tần số.
Điều chế biên độ của sóng mang theo tín hiệu cần truyền mà tần số sóng mang vẫn giữ
nguyên.
Ngoài ra còn nhiều phương pháp điều chế khác, như điều chế pha, điều chế mạch xung,
điều chế biên mã, điều chế đơn biên...

Về phạm vi băng sóng điều tần có những tiêu chuẩn khác nhau: Tiêu chuẩn OIRT (tổ chức quốc
tế về truyền thanh và truyền hình) có dải sóng từ 65,8 MHz đến 73 MHz. Tiêu chuẩn CCIR (hội
đồng tư vấn quốc tế về vô tuyến điện) có giải tần 87,5 MHz đến 104 MHz.

Người ta đã biết phương pháp điều tần từ lâu, nhưng ít chú ý, vì cho rằng không có ưu điểm gì
nổi bật so với điều biên. Khoảng năm 1940 thì mới dùng rộng rãi kỹ thuật điều tần, vì phát hiện
thấy ưu điểm chống can nhiễu của nó. Hiện nay kỹ thuật này được sử dụng rộng rãi trong phát
thanh, hệ thống vô tuyến hai chiều (hữu tuyến), hệ thống ghi băng từ và hệ thống truyền dẫn
video. Trong hệ thống vô tuyến, điều tần với băng thông đủ cung cấp một lợi thế trong việc triệt
tạp âm tự nhiên. Ma-níp dịch tần (FM số) được sử dụng rộng rãi trong các modem dữ liệu và fax.

2


Mục lục

I.

Lý thuyết..................................................................................3
1. Điều chế góc FM và PM..................................................3
2. Điều chế tần số FM..........................................................4
3. Băng thông của tín hiệu điều tần FM...............................7
4. Công suất của tín hiệu điều tần FM.................................7
5. Một số phương pháp điều chế và giải điều chế FM..........8
6. Một số ứng dụng của điều chế FM...................................11

II.

Mô phỏng tín hiệu fm bằng Matlab.......................................13

III.

Thực hiện trên kit C5515 eDZSp USB Stick........................

IV.

Sơ lược về KIT C5515.............................................................

V.

Kết luận....................................................................................

I.

Lý thuyết
3


1. Điều chế góc FM và PM

-

Điều chế góc là một dạng điều chế quan trọng dùng trong thông tin, vì tính chống
nhiễu của nó tốt hơn điều chế biên độ AM.

-

Tín hiệu sóng mang cao tần khi chưa bị điều
chế là đơn hài, xác định bởi:
xc(t) = Vccos(ωct + φ0) =
Vccosφ(t)
trong đó: φ (t) = ωct + θ0 : pha tức thời của
dao động cao tần, xác định trạng thái của tín
hiệu tại thời điểm t. ωc : tần số sóng mang;

φ0: pha ban đầu
Giữa tần số và pha có quan hệ:

tần số tức thời - tần số tại thời điểm t
- Nếu tín hiệu điều chế tần thấp m(t) làm thay đổi pha tức thời ta có điều chế góc.
Trong điều chế góc, biên độ sóng mang coi như không đổi. Có hai trường hợp:
o Nếu m(t) làm thay đổi tần số c ta có điều chế tần số FM (Frequency
Modulation):

Do đó, tín hiệu điều chế FM có dạng:
o Nếu m(t) làm thay đổi pha ban đầu φ0 ta có điều chế pha PM (Phase
Modulation):

-

Ta nhận thấy giữa điều tần và điều pha có mối quan hệ tương quan. Để có tín hiệu
điều tần FM thì tín hiệu tin tức cho qua mạch tích phân rồi sau đó đi qua mạch điều
pha PM. Ngược lại, Để có tín hiệu điều pha PM thì tín hiệu tin tức cho qua mạch vi
phân rồi sau đó đi qua mạch điều tần FM.
4


-

2. Điều chế tần số FM
Để đơn giản phân tích, cho m(t) = V cosω t và pha ban đầu sóng mang
θ
=
0.
Tín

hiệu. FM có dạng như sau:
m

m

0

-

Phổ của tín hiệu điều tần:

5


-

Hàm Bessel loại I:

6


7


Băng thông của tín hiệu điều tần FM
Về lý thuyết độ rộng băng thông cao tần tín hiệu FM vô cùng lớn, tuy
nhiên
thực
tế
quy định giới hạn băng thông FM đến thành phần phổ biên Jn (mf ) ≥

0.01J o(mf )
Băng
thông
này
tính
theo
công
thức:
BFM
≈
2(∆f
+
fm
)
với: fm - tần số tín hiêu điều chế tần thấp băng gốc
Băng thông 3dB của mạch cao tần phải lớn hơn băng thông tính theo
công
thức
trên
để
không méo.
3.

-

-

-

Công suất của tín hiệu điều tần FM

Tổng công suất cao tần tín hiệu điều tần không đổi, bằng công suất
sóng
mang
khi
không có điều chế. Gọi V c là biên độ độ sóng mang FM không điều chế
trên tải R, ta có công suất sóng mang:
4.

-

-

Công suất FM khi có điều chế:

-

FM dải hẹp (NBFM) dùng trong thông tin loại FM với độ di tần
(5÷15)KHz.
FM dải rộng có tính chống nhiễu cao dùng trong phát thanh FM Stereo,
tiếng
TV,
vi

-

8


ba, truyền hình vệ tinh. Độ di tần cực đại FM dùng trong phát thanh và
tiếng

TV
là
±75 KHz.

-

Một số phương pháp điều chế & giải điều chế FM
Mạch chế tần số FM dùng Varicap:

-

Mạch điều chế tần số FM dùng PLL:

5.

9


-

Mạch giải điều chế tần số FM dùng PLL:

10


-

Phát thanh FM Stereo
Người ta mong muốn truyền được tín hiệu điễn tả âm thanh của hai
kênh trái và phải riêng biệt mà vẫn giữ FM mono truyền thống. Từ nhu

cầu trên, ngoài tín hiệu L + R truyền thống người ta truyền thêm tín
hiệu L – R bằng phương pháp ghép kênh FDM.
Mạch tạo tín hiệu FM Stereo:

Mạch giải mã:

11


Tần số 19kHz gọi là tần số pilot được dùng để khôi phục lại sóng mang
38kHz
phục
vụ cho giải điều chế cân bằng
-

6. Một số ứng dụng của điều chế FM
Băng từ:
o FM cũng được sử dụng ở trung tần trong các hệ thống VCR tương tự, bao gồm cả
VHS, để ghi lại cả độ chói (đen và trắng) của tín hiệu video. Thông thường, các
thành phần chrome được ghi lại như một tín hiệu AM thông thường, bằng cách sử
dụng tín hiệu FM tần số cao hơn như thiên áp.
o FM là phương pháp chỉ khả thi cho việc ghi lại thành phần độ chói (đen và trắng)
của video vào băng từ và truy xuất video từ băng từ mà không bị méo cực, như
các tín hiệu video có các thành phần dải tần rất lớn - từ vài Hz tới vài MHz, quá
rộng cho các bộ cân bằng làm việc do tạp âm dưới −60 dB. FM cũng giữ băng ở
mức bão hòa, và do đó đóng vai trò như một hình thức giảm tạp âm, và một bộ
giới hạn đơn giản có thể ẩn các biến trong phát lại đầu ra, và tác dụng của bắt FM
loại bỏ sự sao chuyển và pre-echo. Một tone hoa tiêu liên tục nếu thêm vào tín
hiệu – như được thực hiện trên V2000 và rất nhiều định dạng băng cao khác – có
thể điều khiển được jitter cơ khí và hỗ trợ hiệu chỉnh gốc thời gian.

o Các hệ thống FM khá đặc biệt do chúng có tỉ số tần số sóng mang trên tần số điều
chế cực đại nhỏ hơn 2; ngược lại với điều này, phát thanh audio FM có tỉ số
khoảng 10.000.
o Hãy xem xét ví dụ một sóng mang 6 MHz điều chế với 3,5 MHz; bằng cách phân
tích Bessel thì các dải biên đầu tiên là 9,5 và 2,5 MHz, trong khi dải biên thứ hai
là 13 MHz và −1 MHz. Kết quả là một dải biên có pha đảo ngược +1 MHz; với

12


-

-

-

giải điều chế, kết quả này trong đầu ra không mong muốn là 6−1 = 5 MHz. Hệ
thống phải được thiết kế để có thể chấp nhận được mức này.
Âm thanh: FM cũng được sử dụng trong các tần số âm thanh để tổng hợp âm thanh. Kỹ
thuật này còn gọi là tổng hợp FM, đã được phổ biến rộng rãi bởi các bộ tổng hợp số đời
đầu và trở thành một đặc tính tiêu chuẩn cho nhiều thế hệ card âm thanh của máy tính cá
nhân.
Vô tuyến:
o FM băng rộng (WFM) cần một băng thông tín hiệu rộng hơn so với điều biên
cùng một tín hiệu điều chế tương đương, nhưng điều này cũng làm cho tín hiệu
kháng tạp âm và nhiễu tốt hơn. Điều tần cũng chống lại hiện tượng fading biên độ
tín hiệu đơn giản. Do đó FM được chọn là tiêu chuẩn điều chế cho tần số cao,
truyền dẫn vô tuyến trung thực cao: do đó thuật ngữ "Vô tuyến FM" (trong nhiều
năm qua BBC lại gọi nó là "Vô tuyến VHF", vì quảng bá FM thương mại sử dụng
một phần của băng VHF - băng tần quảng bá FM)

o Máy thu FM sử dụng một bộ tách sóng đặc biệt cho các tín hiệu FM và đưa ra một
hiện tượng gọi là hiệu ứng bắt, bộ cộng hưởng có thể thu tốt hai đài đang được
phát song trên cùng một tần số. Tuy nhiên, trôi tần hay thiếu độ chọn lọc có thể
làm một đài hoặc tín hiệu bị vượt quá bởi đài hoặc tín hiệu khác trên một kênh lân
cận. Trôi tần thường xảy ra trên các máy bay rất cũ và không đắt tiền, trong khi độ
chọn lọc không thích hợp có thể làm ảnh hưởng tới bất kỳ bộ cộng hưởng nào.
o Một tín hiệu FM cũng có thể được sử dụng để mang một tín hiệu stereo: xem
stereo FM. Tuy nhiên, điều này được thực hiện bằng cách ghép và tách kênh trước
và sau quá trình FM. Phần còn lại của bài viết này bỏ qua quá trình ghép và tách
kênh stereo được sử dụng trong "stereo FM", và tập trung vào các quá trình điều
chế và giải điều chế FM, chúng giống hệt nhau trong các quá trình stereo và
mono.
o Một bộ khuếch đại chuyển mạch tần số vô tuyến hiệu suất cao cũng có thể được
sử dụng để phát các tín hiệu FM (và các tín hiệu biên độ không đổi khác). Đối với
cường độ tín hiệu nhất định (đo tại anten máy thu), các bộ khuếch đại chuyển
mạch sử dụng nguồn công suất thấp và có giá thành thấp hơn so với bộ khuếch
đại tuyến tính. Điều này mang lại cho FM một lợi thế khác so với các biểu đồ điều
chế khác sử dụng các bộ khuếch đại tuyến tính như AM và QAM.
o FM thường được sử dụng ở các tần số vô tuyến VHF cho phát thanh quảng bá
chất lượng cao (xem quảng bá FM). Âm thanh TV thường cũng được phát sóng
bằng FM. Một băng tần hẹp được sử dụng cho thông tin thoại trong thương mại
và vô tuyến nghiệp dư. Trong các dịch vụ quảng bá, âm thanh trung thực là quan
trọng, FM băng rộng thường được sử dụng trong các dịch vụ này. Trong vô tuyến
hai chiều, FM băng hẹp (NBFM) được sử dụng để tiết kiệm băng thông cho các
trạm vô tuyến di động mặt đất, di động hàng hải và nhiều dịch vụ vô tuyến khác.
Hỗn hợp: Ma-níp dịch tần là điều chế tần số sử dụng chỉ một số tần số rời rạc. Truyền dẫn
mã Morse được thực hiện bằng cách này, như hầu hết các modem đường dây điện thoại
đời đầu.[8] Radioteletype cũng sử dụng FSK. Điều chế FM cũng được sử dụng trong các
ứng dụng đo xa, radar, khảo sát địa chấn và mô hình động kinh EEG của trẻ sơ sinh.
13

II.
1.
-

-

Mô phỏng tín hiệu FM bằng matlab
Các thông số cho mô phỏng và các tín hiệu:
Tấn số lấy mẫu
Tín hiệu điều chế có tần số (tone modulation)
Sóng mang có tần số
Chỉ số điều chế
Tín hiệu FM:

Ta sẽ mô phỏng với các tín hiệu FM với chỉ số điều chế và

2. Mã nguồn MATLAB cho mô phỏng:

clear
clc
% simulation parameters
fs = 1000;
delt = 1/fs;
t = 0:delt:1-delt;
% message signal (tone modulation)
fm = 10;
m = cos(2*pi*fm*t);
% carier wave signal

fc = 150;
mf = 5;
xc = cos(2*pi*fc*t + mf*sin(2*pi*fm*t));
% spectrum
xc_fft = abs(fft(xc)/length(t));
xc_spectrum = xc_fft(1:length(t)/2);
f = fs*(0:length(t)/2-1)/length(t);
% caculate bessel function
n = (0-fc)/fm:1:(f(length(f))-fc)/fm;
J = zeros(1, length(n));
fg = n*fm;
for i = 1:length(n)
J(i) = besselj(n(i), mf);
end
% plotting signal
subplot(2, 1, 1);
plot(t, m);
title('Modulating Signal')
xlabel('Time');
ylabel('Amplitude');
subplot(2, 1, 2);
14


plot(t, xc);
title('FM signal');
xlabel('Time');
ylabel('Amplitude');
% compare bessel function with spectrum (using fft function)
figure;

subplot(2, 1, 1);
plot(f, xc_spectrum);
title('Spectrum (FFT)');
xlabel('Frequency');
ylabel('Amplitude');
subplot(2, 1, 2);
stem(fc+fg, abs(J));
title('Spectrum (Bessel)');
xlabel('Frequency');
ylabel('Amplitude');
3. Kết quả mô phỏng:
- Với
- Các tín hiệu

-

Phổ tần số
15


-

Với
Các tín hệu

16


-

Phổ tần số và hàm Bessel

17


-

III.

Qua việc sử dụng công cụ Matlab trong việc mô phỏng phổ tần số của hàm điều chế fm.
Chúng em thấy được rằng sự khác nhau giữa nó và hàm Bessel là không lớn hay nói cách
khác là xấp xỉ như nhau.
Qua đó thể hiện độ chính xác tương đối của việc mô phỏng.

Thực hiện trên kit C5515 eDZSp USB Stick

18


IV.

-

Sơ lược về KIT C5515
1. Giới thiệu
Digital Signal Processor (DSP) – Bộ xử lý tín hiệu số là bộ vi xử lý có thể lập trình cho
một mục đích chuyên dụng nào đó.
Được thiết kế để điều khiển theo thời gian thực, luồng truyền liên tục của một khối lượng
lớn dữ liệu số, nhằm cải tiến chất lượng hay sửa đổi.
DSP được dùng rộng rãi để xử lý dòng dữ liệu liên tục của âm thanh, video và đồ họa.

Cụ thể ở đây là lập trình trên KIT TMS320C5515 của TI (Texas Instrument) trên nền
DSP.

2. Sơ đồ khối
-

TMS320C5515 được chia làm 3 khối:
Khối 1 (DSP System): hệ thống xử lý DSP.
Khối 2 (Switched Central Resource): dữ liệu trung tâm chuyển mạch.
Khối 3 (Peripherals): thiết bị ngoại vi.

19


3. Thành phần
-

Bộ KIT TMS320C5515 gồm những bộ phận:
Bộ xử lý tín hiệu số TMS320C5515 của hãng Texas Instrument.
Bộ mã hóa và giải mã âm thanh TLV320AIC3204 của hãng Texas Instrument.
Đầu nối Micro SD.
Bộ xử lý C5515 giao diện USB 2.0.
Bộ nhớ NOR flash 32 Mb.
Màn hình OLED chuẩn I2C.
5 LED dùng để điều khiển.
2 nút ấn để điều khiển.
Giao diện Bluetooth.
Đầu nối mở rộng.
Nguồn được cung cấp thông qua giao diện USB.
Tương thích với Code Composer Studio v4 của Texas Instruments.

Cáp mở rộng USB.

20


4. Tính năng của KIT C5515

TMS320C5515 có 1 số tính năng nổi bật sau:
-

Hiệu suất cao, công suất tiêu thụ thấp.
Sử dụng phép toán số học dấu chấm tĩnh.
Một/hai lệnh được thực hiện mỗi chu kỳ.
Giao tiếp với các ngoại vi:
21


o
o
o
o
o
o
o
o
o

8/16 bit bộ nhớ ngoài tích hợp: bộ nhớ bất đồng bộ, SARAM, Flash (NOR,
NAND), - SARAM di dộng với độ rộng 16 bit.
Bốn bộ điều khiển DMA, mỗi bộ gồm có 4 kênh (tổng cộng có 16 kênh).

Hỗ trợ chuẩn truyền thông giao tiếp bất đồng bộ (UART).
Ba bộ timer dùng chung 32 bit (GP timer), trong đó 1 timer cấu hình như 1
Watchdog and/or GP.
Hỗ trợ giao tiếp theo chuẩn I2C theo phương thức Master – Slave (Chủ – tớ).
Hỗ trợ việc truyền dữ liệu theo chuẩn I2S.
Hỗ trợ USB 2.0 cho phép việc trao đổi dữ liệu với tốc độ cao.
Hỗ trợ LCD với giao diện bất đồng bộ.
ADC 10 bit với 4 bộ ghi xấp xỉ liên tiếp (SAR).

5. Ứng dụng
-

V.

KIT TMS320C5515 có thể thực hiện 1 số ứng dụng thông dụng:
Thiết bị audio không dây (tai nghe, microphones, speakerphones).
Giảm tiếng vang ở tai nghe.
Thiết bị y tế di động.
Ứng dụng tiếng nói.
Điều khiển công nghiệp.

Kết luận

Thông qua việc tìm hiểu đề tài đã được giao phó chúng em xin rút ra một số kết luận như sau:
-

-

-

Việc đã làm được:
o Tìm hiểu lý thuyết.
o Mô phỏng tín hiệu điều chế fm trên Matlab.
o Tìm hiểu các ứng dụng thực trong thực tiễn của điều chế fm.
o Tìm hiểu về kit C5515
Việc chưa làm được cũng như cần bổ sung, hay yếu kém:
o Code chưa tối ưu
o Vẫn chưa thể tìm hiểu đi sâu vào vấn đề, nắm vấn đề ở mức độ tương đối
o Các thao tác với kit C5515 còn chưa thành thục cũng như gặp khó khăn trong việc
viết code để chạy trên kit
Khắc phục vấn đề:
o Cần ngồi lại bàn bạc, cũng như họp nhóm nhiều hơn để trao đổi kinh nghiệm với
các bạn khác.
o Đọc thêm tài liệu cũng như ghi chép lại các vấn đề còn chưa rõ.
o Mượn kit và nghiên cứu, thử nghiệm cũng như tối ưu code, đảm bảo hoạt động
với hiệu suất cao.

22


Phần quan trọng nhất của điều chế fm chính là phổ tần số cũng như việc so sánh nó với hàm
Bessel. Về phần này chúng em đã hoàn thành trong phần mô phỏng bằng Matlab và thấy rằng kết
quả của 2 phổ là xấp xỉ bằng nhau.
Ngoài ra đề tài điều chế fm cũng là một đề tài dẫn tới các ứng dụng rất hữu ích trong thực tiễn.
Và có thể nghiên cứu thêm để phát triển về sau này theo nhiều hướng khác nhau ( đồ án, luận
văn,…). Nó cung cấp 1 phần kiến thức rất quan trọng sau này khi ra làm việc cũng như giúp
chúng em củng cố thêm kiến thức khi còn ngồi trên ghế nhà trường.

Tài liệu tham khảo
23

1. R. Ziemer, W.H. Tranter, “Principles of Communications”; HUT Finland;
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.

and A.B. Carlson’s “Communication Systems”.
"FM Systems Of Exceptional Bandwidth" Proc. IEEE vol 112, no. 9, p. 1664, September
1965.
Der,
Lawrence,
Ph.D.,
Frequency
Modulation
(FM)
Tutorial,
Silicon Laboratories, Inc.
“Điều chế tần số” – Wikipedia - />David B. Rutledge (1999). The Electronics of Radio. Cambridge University Press
FM Spectrum - />FM broadcasting – Wikipedia - />Bài giảng điện tử thông tin – Th.S Nguyễn Hoàng Huy
Tìm
hiểu
cấu
trúc
Kit

TMS320C5515
/>
24


Lời cảm ơn
Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn thầy và nhà trường cũng như bộ môn viễn thông của
khoa điện – điện tử đã tạo điều kiện để chúng em tiếp cận với đề tài. Và có thể mở rộng kiến thức
cũng như tìm hiểu thêm nhiều ứng dụng về phương pháp điều chế FM, phương thức và các ứng
dụng của nó trong đời sống.
Chúng em sẽ cố gắng vận dụng thật tốt các kiến thức từ bài giảng trên lớp cũng như các kiến
thức tìm hiểu được thêm để hoàn thành thật tốt đề tài cũng như môn học này. Cũng như cố gắng
mang các kiến thức tiếp thu được qua việc hoàn thành đề tài nói riêng và hoàn tất môn học nói
chung để mang ra đời sau này sử dụng một cách hữu ích nhất có thể.

25