Chương 1 Tín hiệu và hệ thống điện tử

30/08/2017

Kỹ thuật điện tử
 Giảng viên: TS. Phạm Minh Nghĩa
 Mục đích mơn học:
 u cầu mơn học:
 Tài liệu tham khảo:

1 Kỹ thuật điện tử, Nguyễn Văn Thước, HVKTQS
2 Kỹ thuật điện tử, Đỗ Xuân Thụ, KHKT
3 Lý thuyết mạch - tín hiệu, Đỗ Huy Giác, KHKT
4 Kỹ thuật mạch điện tử, Phạm Minh Hà, KHKT

Chương 1 Tín hiệu và các hệ thống điện tử
1.1 Khái quát chung về tín hiệu
1.2 Các tham số của tín hiệu
1.3 Phân tích phổ của tín hiệu
1.4 Các hệ thống điện tử thơng dụng
1.5 Kỹ thuật điều chế tín hiệu
1.6 Các dạng mạch lọc tín hiệu

1


30/08/2017

1.1 Khái quát chung về tín hiệu
* Định nghĩa tín hiệu (signal):
Tín hiệu là một dạng biểu diễn vật lý của tin tức.
VD: Tín hiệu điện sau Micro, luồng số trong cáp máy tính …..
Trong lĩnh vực điện, điện tử thì tín hiệu thường là các dao

động điện từ chứa tin tức.
* Cách biểu diễn tín hiệu:
Tín hiệu thường được biểu diễn dưới dạng hàm theo biến
thời gian (time) hoặc biến tần số (frequency). Trong ngành điện
tử ta còn dùng số phức để mơ tả các dạng tín hiệu điều hịa.
VD: i(t), u(t),…

1.1 Khái qt chung về tín hiệu
* Phân loại tín hiệu:
1 Theo tính chất của hàm số mơ tả tín hiệu:
Tín hiệu liên tục:
Dạng phổ biến là tín hiệu tương tự (analog)
Tín hiệu rời rạc:
Dạng phổ biến là tín hiệu số (digital)
2 Theo tính chất tuần hồn:
Tín hiệu tuần hồn là tín hiệu thỏa mãn đẳng thức sau:
s(t) = s(t + kT), trong đó T thuộc tập thực dương, k thuộc tập Z
Ngược lại tín hiệu mà khơng tồn tại T hữu hạn thỏa mãn đẳng
thức trên là tín hiệu khơng tuần hồn

2


30/08/2017

1.1 Khái quát chung về tín hiệu
VD một số dạng tín hiệu tuần hồn:

1.1 Khái qt chung về tín hiệu
3 Theo tính chất xác suất thống kê:

Tín hiệu ngẫu nhiên: Là dạng tín hiệu mà ta khơng
biết trước các tham số cũng như quy luật biến đổi các tham
số của tín hiệu.
Tín hiệu xác định:

3


30/08/2017

1.2 Các tham số của tín hiệu
1 Giá trị trung bình:
1
s (t ) 
t 2  t1

t2

 s (t ) d t
t1

2 Năng lượng của tín hiệu:
t2

w=  s 2 (t )dt
t1

1.2 Các tham số của tín hiệu

t

W
1 2 2
ptb 
s (t )dt 

t2  t1 t1
t2  t1

4


30/08/2017

1.2 Các tham số của tín hiệu
5 Dải động của tín hiệu: đặc trưng cho mức của cường độ
tín hiệu tác động lên thiết bị.

pmax
s 2 (t )max
s(t )max
D  10 lg
 10 lg 2
 20 lg
 dB 
pmin
s (t ) min
s(t ) min

1.3 Phân tích phổ của tín hiệu

* Định nghĩa về phổ của tín hiệu:
Phổ của tín hiệu được hiểu là sự mơ tả của tín hiệu theo tần
số.
Có 2 dạng là: Phổ biên độ và phổ pha
Phổ biên độ cho thấy sự phân bố năng lượng của tín hiệu theo
tần số
Phổ pha là sự phân bố pha của tín hiệu theo tần số
* Ý nghĩa của việc phân tích phổ tín hiệu:

5


30/08/2017

1.3 Phân tích phổ của tín hiệu
* Phân tích phổ của tín hiệu tuần hồn:
Nếu một tín hiệu tuần hồn s(t) thỏa mãn điều kiện:


 s(t) dt





Thì ta có thể phân tích s(t) thành chuỗi Fourier như sau:


s(t)  A0   ( ak cos k1t  bk sin k1t )
k 1



 Ao   Ak cos ( k 1 t  k )
k 1

.
  Ck e jk1t


k 

A0 

T

1
T

 s(t ) dt; ak 
0

T

2
s (t ) cos k1dt
T 0

T

2

bk   s (t ) sin k1dt; Ak  ak2  bk2
T 0
.
T

b
1
k  arc tg k ; Ck   s(t )e jkw1t dt
ak
T 0

1.3 Phân tích phổ của tín hiệu
* Phân tích phổ của tín hiệu khơng tuần hồn:
Sử dụng phép biến đổi Fourier để phân tích phổ của tín hiệu
khơng tuần hồn

1
s (t ) 
2





.
j t
S ( j )e
d



6


30/08/2017

1.4 Các hệ thống điện tử thông dụng:
Dùng để truyền tin tức, âm nhạc, hình ảnh, thực hiện tính tốn, đo
đạc, điều khiển tự động vv...
Hai dạng :
- Hệ thống hở, trong đó thơng tin chỉ truyền đi theo một chiều
nhất định .
- Hệ thống kín thì ngược lại, thơng tin truyền theo cả hai chiều
và chúng liên hệ chặt chẽ với nhau, đặc biệt ở đây là thông tin truyền
theo chiều ngược có vai trị quyết định đưa hệ thống kín đến một trạng
thái làm việc tối ưu.
Theo chức năng xử lý tín hiệu ta có thể chia các hệ thống điện
tử thành ba loại như sau :

1.4 Các hệ thống điện tử thông dụng:
* Hệ thống thông tin quảng bá: trao đổi tin tức, số liệu, hình ảnh....

7


30/08/2017

1.4 Các hệ thống điện tử thơng dụng:
•Hệ thống thơng tin quảng bá: có những đặc điểm sau:

-Đặc điểm thứ nhất : hệ thống hở,tín hiệu từ nơi nhận tin không thể tác động
trở lại nơi phát tin. Chất lượng truyền tin có trung thực, chính xác hay
khơng thì nơi phát không thể nhận biết được. Để nâng cao chất lượng truyền
tin cần nâng cao chất lượng của thiết bị thu và thiết bị phát độc lập nhau.
- Đặc điểm thứ hai là: Quá trình điều chế diễn ra ở máy phát cịn q trình tách
sóng ở máy thu là hai q trình ngược nhau nhằm tạo ra tín hiệu vơ tuyến
và tách tin tức từ tín hiệu vơ tuyến.
-Đặc điểm thứ ba là: trong mơi trường truyền tin có nhiều loại nhiễu tác động
(nhiễu công nghiệp, nhiễu thiên nhiên, nhiễu do các đài phát khác tạo nên...)
nên việc khắc phục nhiễu bằng các giải pháp kỹ thuật khác nhau để tăng
chất lượng thông tin là vấn đề rất quan trọng.
-Đặc điểm thứ tư là: phải giải quyết các vấn đề kỹ thuật cho phù hợp với từng
loại kênh thông tin. Đó là các vấn đề cần được lựa chọn tối ưu: vấn đề dạng
điều chế, công suất phát, tần số phát, khoảng cách và môi trường truyền tin,
chất lượng máy thu ,giá thành sản phẩm...

1.4 Các hệ thống điện tử thơng dụng
•Hệ thống tự động điều chỉnh và tự động ổn định:
hệ thống kín được sử dụng rất rộng rãi trong các hệ tự động điều chỉnh một
hoặc vài thơng số trong một q trình làm việc. Ở đây có đường tín hiệu ngược
phục vụ cho mục đích tự động hiệu chỉnh:

8


30/08/2017

1.4 Các hệ thống điện tử thông dụng
* Hệ thống đo lường:
* Hệ thống thông tin di động:

* Hệ thống Ra đa – Tên lửa phịng khơng:

1.5 Kỹ thuật điều chế tín hiệu
Xét sơ lược về các dạng tín hiệu điều chế
Dùng tín hiệu sơ cấp (ký hiệu là u(t) để điều chế sóng mang u0(t) =U0m
cos(0t+0) là dao động điều hồ tần số cao.
Sóng mang có ba tham số là biên độ U0m,tần số 0=2f0 và góc pha đầu 0 ,
nên có ba cách điều chế biên độ, điều chế tần số và điều chế pha, cho tương
ứng ba tín hiệu là tín hiệu điều biên, tín hiệu điều tần và tín hiệu điều pha.
1.5.1 Tín hiệu điều biên AM (Amplitude Modulation)
a.Điều biên đơn âm.
Xét tín hiệu sơ cấp u(t) là một dao động hình sin đơn âm.
u(t)=Umcos (t+)= Umcos (2Ft+)
Dao động sóng mang
u0(t) = U0m cos (ot + 0 ) = Uom cos(2f0 + 0 )
Tín hiệu điều biên sẽ có biểu thức:
udb (t )  [U 0 m  hu (t )]cos(0t  0 )  U 0 m [1 

hU m
cos(t   )]cos(0t  0 )
U 0m

 U 0m 1  m cos(t   )  cos(0t  0 )

9


30/08/2017

1.5Kỹ thuật điều chế tín hiệu

udb (t )  u0 m cos(0t  0 ) 


mU 0 m
cos[(0  )t  0   ]
2

mU 0 m
cos[(0  )t  0   ]
2

(1.16)

Đồ thị mô tả kỹ thuật điều biên:

1.5 Kỹ thuật điều chế tín hiệu
Trong tín hiệu điều biên có ba thành phần:thành phần thứ nhất là sóng mang
tần số góc 0, biên độ U0m ,thành phần thứ hai có tần số góc (0 + ) biên độ
mU 0m
gọi là thành phần biên trên,thành phần thứ ba -biên dưới có tần số góc
2
(0 - ) và biên độ cũng là mU 0m
2

Hai biên trên và dưới có mang
tin (chứa tần số  ) nhưng có
biên độ nhỏ hơn một nửa tải tin
U0m

10

30/08/2017

1.5 Kỹ thuật điều chế tín hiệu
b.Điều biên đa âm.
Trường hợp tín hiệu sơ cấp khơng phải chỉ là một tần số =2F , mà là một
giải tần số từ min đến max (hay= FminFmax ):
u  ( t )   U im cos( i t   i )
i

Biểu thức của tín hiệu điều biên:
udb (t )  U 0 m cos(0t  0 ) 


1
 mU
i 0 m cos[(0  i )t  0  i )
2 i

1
 mU
i 0 m cos[(0  i )t  0  i )
2 i

mi là chỉ số điều biên thành phần m i 
chỉ số điều biên toàn phần:
m

hU im

U 0m

 m 2i
i

0  m  1. Bề rộng của phổ tín hiệu điều biên

1.5 Kỹ thuật điều chế tín hiệu
1.5.2 Tín hiệu điều tần FM (Frequency Modulation) và điều pha PM (Phase
Modulation).
Quan hệ giữa tần số biến thiên (t) và pha tức thời là:

(t ) 

( t )
; (t )   (t )dt   0
dt

Tín hiệu điều tần có tần số biến thiên theo quy luật của tín hiệu sơ cấp, nếu o là
tần số của sóng mang thì tần số của tín hiệu điều tần sẽ là:  = o + h.u(t).
Biểu thức của tín hiệu điều tần sẽ có dạng:
udt(t) = U0mcos(t) = U0m cos[0t + h  u (t )dt +0 ]  U 0 m cos 0t  mdt sin t 0 
mdt 

hU m


- độ sâu hoặc chỉ số điều tần,thường mđt>>1.

11

30/08/2017

1.5 Kỹ thuật điều chế tín hiệu
* Kỹ thuật điều chế tần số và điều chế pha:

Biểu thức của tín hiệu điều pha có dạng:
uđf = U0mcos[0t + h.u(t) + o ]
Nếu u(t) là đơn âm thì
uđf(t) = U0mcos [0t + h u(t) + 0]
= U0mcos [0t + m đf cost + 0]
Trong đó mđf = hUm gọi là độ sâu hoặc chỉ số điều
pha.

1.5 Kỹ thuật điều chế tín hiệu
* Kỹ thuật điều chế tần số và điều chế pha:
Nhận xét:
Ở tín hiệu điều biên cơng suất của nó phụ
thuộc vào độ sâu điều chế, cịn ở tín hiệu
điều tần thì độ sâu điều chế khơng quyết
định cơng suất. Nghĩa là ở tín hiệu
điều tần khi có điều chế cực đại hoặc
khơng có điều chế cơng suất vẫn như
nhau.Tuy nhiên có sự phân bố lại năng
lượng giữa các thành phần tần số
trong quá trình điều chế.

12

30/08/2017

1.6 Các dạng mạch lọc tín hiệu
•Khái niệm: Mạch lọc là một mạch điện chỉ cho qua các tín hiệu có phổ tần
nằm trong một dải tần nào đó, cịn chặn (khơng cho đi qua) các tín hiệu có phổ
tần nằm ngoài dải tần đã cho.
Dải tần số mà mạch lọc cho qua gọi là dải thông của mạch lọc, dải tần số mà
mạch lọc chặn các tín hiệu gọi là dải chặn.
Tần số phân cách giữa dải thông và dải chặn được gọi là tần số cắt của mạch
lọc.
•Phân loại mạch lọc tín hiệu:
-Theo dải thơng: Mạch lọc thơng thấp, mạch lọc thông cao, mạch lọc dải
thông, mạch lọc dải chắn.
-Theo phần tử tạo thành mạch lọc: Mạch lọc LC, mạch lọc RC, mạch lọc thạch
anh, …
-Theo kết cấu: mạch lọc hình Γ, mạch lọc hình Π, mạch lọc hình Τ, mạch lọc
cầu, …
Mạch lọc LC thơng thấp, thơng cao hình Γ, Τ, Π.

13