BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI HỌC VIỆN HÀNG KHÔNG VIỆT NAM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BÁO CÁO TIỂU LUẬN TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỆN TỬ THÔNG TIN GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: TS. Lâm Minh Long SINH VIÊN: Trần Tuấn Trung MÃ SỐ SV: 1853020030 LỚP: 18ĐHĐT01 Thành phố Hồ Chí Mi Hiện nay xã hội phát triển và trong giai đoạn của công nghệ 4.0 thì những tiến bộ về phát minh của con người về khoa học công nghệ ngày càng mạnh, điều này giúp cho các ngành khác như sản xuất, y học, dịch vụ,... v.v cũng phát triển theo. Rõ ràng khoa học công nghệ về điện tử, kỹ thuật rất quan trọng trong cuộc sống của con người. Có thể kể đến trong ngành hàng không, máy bay, tàu bay là một trong những phát minh vĩ đại của con người trong suốt nhiều năm từ thô sơ nhất chỉ áp dụng những định luật vật lý để hoạt động đến hiện đại nhất áp dụng những thiết bị điện tử công nghiệp. Trong tiểu luận tìm hiểu về điện tử thông tin. Một khía cạnh chung của kỹ thuật điện tử, lý thuyết về các kỹ thuật điều chế, máy phát, ứng dụng,... Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn điện - điện tử đã tận tình chỉ bảo để em có thể hoàn thành đề tài nghiên cứu này. Bên cạnh đó là sự hướng dẫn, góp ý của giảng viên hướng dẫn TS. Lâm Minh Long. Do thời gian và kiến thức còn nhiều hạn chế, đề tài của em sẽ không tránh khỏi những sai sót, em mong thầy cô góp ý, chỉnh sửa để có thể hoàn thiện hơn. MỤC LỤC Chương 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG THU PHÁT THÔNG TIN.........11 1.1 Hệ thống thông tin thu phát..................................................................11 1.1.1 Các ví dụ về hệ thống thu phát thông tin.......................................11 1.1.2 Sơ đồ khối hệ thống thu phát thông tin..........................................11 1.1.3 Kênh truyền và nhiễu.....................................................................11 1.2 Phổ tần số.............................................................................................11 1.3 Các mô hình hệ thống thông tin...........................................................11 1.3.1 Mô hình đơn công (simplex)..........................................................11 1.3.2 Mô hình song công (duplex)..........................................................11 1.3.3 Mô hình bán song công (half-duplex)............................................11 1.4 Hệ thống thông tin vô tuyến.................................................................11 1.4.1 Hệ thống thông tin vô tuyến cố định..............................................11 1.4.2 Hệ thống thông tin vô tuyến di động..............................................11 1.4.3 Hệ thống thông tin vệ tinh..............................................................11 1.5 Khái quát hệ thống thông tin Hàng không...........................................11 Chương 2. MẠCH LỌC...................................................................................11 2.1 Khái niệm.............................................................................................11 2.2 Hàm truyền-Biểu đồ Bode...................................................................11 2.3 Mạch lọc thụ động (LPF, HPF, BPF, BRF).........................................11 2.4 Mạch lọc tích cực (LPF, HPF, BPF, BRF)..........................................11 Chương 3. MẠCH DAO ĐỘNG.....................................................................12 3.1 Nguyên lý dao động.............................................................................12 3.2 Dao động dời pha.................................................................................14 3.2.1 Mạch dao động dời pha dùng Op-Amp..........................................14 3.2.2 Mạch dao động dời pha dùng transistor.........................................16 3.3 Dao động cầu Wien..............................................................................18 3.4 Dao động cộng hưởng..........................................................................21 3.4.1 Mạch cộng hưởng song song.........................................................21 3.4.2 Mạch cộng hưởng nối tiếp.............................................................25 3.5 Dao động Colpitts................................................................................29 3.6 Dao động Hartley.................................................................................30 3.7 Dao động thạch anh..............................................................................31 Chương 4. CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ.......................................................35 4.1 Kỹ thuật điều chế và giải điều chế tương tự........................................35 4.2 Hệ thống điều biên AM........................................................................36 4.2.1 Phương trình điều chế và hệ số điều chế........................................36 4.2.2 Phổ của tín hiệu AM......................................................................37 4.2.3 Công suất của tín hiệu AM............................................................38 4.2.4 Mạch điều chế AM.........................................................................40 4.2.5 Mạch giải điều chế.........................................................................43 4.3 Hệ thống điều chế dải biên (DSBSC, SSB, VSB)...............................47 4.3.1 DSBSC...........................................................................................47 4.3.1.1 Quang phổ của tín hiệu........................................................................47 4.3.1.2 Bộ phát.................................................................................................48 4.3.1.3 Giải điều chế........................................................................................49 4.3.1.4 Biến dạng và suy giảm.........................................................................49 4.3.1.5 Cách thức hoạt động............................................................................50 4.3.2 SSB.................................................................................................53 4.3.3 VSB................................................................................................56 4.3.3.1 Hệ thống điều chế................................................................................57 4.3.3.2 So sánh hiệu suất của điều chế Vestigial sideband (VSB) với điều chế DSB-SC và SSB...................................................................................................58 4.3.3.3 Ưu nhược điểm và ứng dụng................................................................59 4.4 Hệ thống điều tần FM, điều pha PM....................................................61 4.4.1 4.4.2 Chương 5. Điều tần FM...................................................................................61 Điều pha PM..................................................................................65 VÒNG KHÓA PHA-PLL..............................................................66 5.1 Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của vòng khóa pha PLL..............66 5.1.1 Sơ đồ khối......................................................................................66 5.1.2 Nguyên lý hoạt động......................................................................67 5.2 Các khái niệm dãy khóa, dãy bắt.........................................................68 5.2.1 Dãy bắt...........................................................................................68 5.2.2 Dãy khóa........................................................................................68 5.3 Cấu tạo bộ VCO, bộ tách sóng pha......................................................69 5.3.1 Cấu tạo bộ VCO.............................................................................69 5.3.2 Bộ tách sóng pha............................................................................71 5.3.2.1 Bộ tách sóng pha tương tự...................................................................72 5.3.2.2 Bộ tách sóng pha số.............................................................................73 5.4 Các ứng dụng vòng khóa pha PLL.......................................................74 5.4.1 Bộ tổng hợp tần số đơn..................................................................74 5.4.2 Giải điều chế FM............................................................................77 5.4.3 Giải điều chế FSK..........................................................................79 5.4.4 Đồng bộ tần số ngang và dọc trong TV.........................................80 5.4.5 Giải điều chế AM...........................................................................80 5.4.6 Sử dụng trong FM Stereo...............................................................82 5.4.6.1 Sơ đồ khối máy phát FM Stereo..........................................................82 5.4.6.2 Phổ của tín hiệu FM Stereo..................................................................84 5.4.6.3 Sơ đồ khối máy thu FM Stereo............................................................84 5.4.6.4 Ứng dụng PLL trong việc giải mã FM Stereo.....................................86 Chương 6. MÁY PHÁT...................................................................................88 6.1 Định nghĩa và phân loại máy phát.......................................................88 6.2 Sơ đồ các loại máy phát.......................................................................88 6.3 Trở kháng và cách phối hợp.................................................................88 6.4 Các mạch lọc cơ bản trong máy phát...................................................88 6.5 Khuếch đại công suất cao tần và nhân tần số.......................................88 6.6 Trung hòa và chống dao động ký sinh.................................................88 6.7 Đo lường máy phát...............................................................................88 Chương 7. MÁY THU.....................................................................................88 7.1 Định nghĩa và phân loại máy thu.........................................................88 7.2 Sơ đồ máy thu......................................................................................88 7.3 Mạch vào máy thu................................................................................88 7.4 Đổi tần..................................................................................................88 7.5 Khuếch đại trung tần IF và các bộ lọc.................................................88 7.6 Tự động điều chỉnh AFC/AGC............................................................88 TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................
Hệthống thông tin thu phát
Các mô hình hệthống thông tin
Hệthống thông tin vô tuyến
Kháiniệm
Mạch lọc tíchcực(LPF,HPF,BPF,BRF)
Nguyênlý dao động
Dao động và tổng hợp tần số là yếu tố quan trọng trong điện tử thông tin, đặc biệt là dao động sin cao tần Mạch dao động chuyển đổi năng lượng điện một chiều thành xoay chiều, với thông số chính là độ bất ổn tần số tương đối ε = |f − f0|, trong đó f0 là tần số dao động cần có và f là tần số dao động thực tế Các mạch dao động LC có độ bất ổn ε = 10^−3, −4, trong khi dao động thạch anh đạt độ bất ổn ε = 10^−6, −7, −8, −9, thường được sử dụng làm dao động chuẩn Độ bất ổn tần số tuyệt đối được xác định bởi |f − f0|, bên cạnh các thông số khác như công suất ra, dải tần và trở kháng ra.
Hình3.1:Sơ đồkhối bộdao động
Mạchd a o độnggồmmạch k hu ếc h đ ạ i vàmạch h ồi tiếpdươngđồng th ờ ilàmtải chọnlọc caotầncủakhuếchđại. Độlợikhuếchđạiđiệnápkhônghồitiếp
=V ˙ o (Đ iệ n áp r a m ạ c h k hu ếc h đạ i )
Mộtphần điệnápra V ˙ fđưa vềhồi tiếpdươngchomạchkhuếch đại.
V ˙ f = B ˙ f V ˙ o -điệnáphồitiếpghépnốitiếpvớinguồnđiệnápkíchkhởiban đầu V ˙ s Hồitiếpâmnếupha V ˙ f và V ˙ s ngượcnhau,khiđó V ˙ i =V ˙ s −V ˙ f giảm,điện ápra V ˙ o giảm.Hồitiếpdươngnếu V ˙ f và V ˙ s cùngphadẫnđến V ˙ o tăngtứclàcódao động.
V ˙ o = V ˙ i A ˙ v =( V ˙ s + V ˙ f ) A ˙ v =( V ˙ s +B ˙ f V ˙ o ) A ˙ v =V ˙ s A ˙ v +A ˙ v B ˙ f V ˙ o Đểcótự dao động thì V ˙ s =0 suyra A ˙ v B ˙ f =1 Điềuk i ệ n A ˙ v B ˙ f =1 còngọilàtiêuchuẩnBarkhausen.Thôngthường
A ˙ vf- hệsốkh uế ch đạ iđ i ệnápcóhồ it i ếpd ương.Nếumạchtự dao động.
Bộ tạo dao động ở tần số thấp, trung bình: dùng bộ khuếch đại thuậttoán+RC hoặc dùng Transistor+RC.
Bộtạodaođộngởtầnsốcao: 0,3f B ≤f 0 ≤3f B dùngTransistor+LChoặcdùngTransi stor +thạchanh.
Bộ tạo dao động ở tần số siêu cao sử dụng Diode Tunnel và Diode Gunn Các tham số cơ bản của mạch dao động bao gồm tần số dao động, biên độ điện áp ra, độ ổn định tần số, công suất ra và hiệu suất.
Daođộng dời pha
Mạch dao động dời pha dùng Op-Amp
Trong dao động dời pha, khối A hoạt động như mạch khuếch đại đảo và kết nối với ba bộ lọc thông cao RC, tạo thành mạch dao động dịch pha Các mạch lọc RC này có chức năng dịch pha tín hiệu 180 độ để tạo tín hiệu hồi tiếp dương tại ngõ vào Sau khi tín hiệu đi qua mạch lọc thông cao RC, độ lệch pha của tín hiệu so với tín hiệu vào sẽ nằm trong khoảng từ 0 đến 90 độ, tùy thuộc vào tần số của tín hiệu Để đảm bảo tín hiệu hồi tiếp dương, tần số mạch lọc RC cần phải được điều chỉnh sao cho tổng góc lệch pha của tín hiệu sau khi qua khâu hồi tiếp đạt 180 độ Khi sử dụng ba mạch lọc RC, như trong hình 3.2, mạch sẽ dao động tại tần số có góc lệch pha 60 độ sau khi đi qua một mạch lọc RC.
C (ωmtRC) 3 Vậymạchsẽ dao độngtạitầnsố: ωmt= 1 hay f= 1
Khiphảithỏađiềukiệnvềbiênđộ A=1,tathay giá trịtầnsố tínhiệudaođộngcủamạchvào côngthức(II),tađược: β=−1/29
Vậyđể mạchduy trìdao động,mạchkhuếch đại Aphải cóhệ số khuếch đạiA29
Tụ CE và CS đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu tín hiệu nhiễu và các tín hiệu tần số cao, giúp cải thiện quá trình dao động và giảm thiểu tạp âm Việc sử dụng tụ điện này giúp nâng cao hiệu suất của hệ thống trong các ứng dụng cần xử lý tín hiệu chính xác.
Mạch daođộngdời phaRCdùng Op-Ampcósơđồnhưhình 3.5
Hình3.5:Mạchdao độngdời pha RC
Theođiều kiện daođộngthì A β=1,ta suyra:
Chú ý: giá trị của R I v ì n g õ v à o V −¿=V +¿=0V¿ ¿n ê n R I /¿R c ủ a t ầ n g R C c u ố i c ù n gsẽ gây sai số lệch pha Để kết quả trùng với tính toán thì R I ≫R đ ể R I / ¿R≈R h o ặ cbỏqua điệntrởRvà R I đ ư ợ cthay bằng R Mạchhoàn chỉnh nhưhình 3.6
Mạch dao động dời phadùng transistor
Daođộng cầuWien
Một bộ dao động thực tế sử dụng khuếch đại thuật toán và mạch cầu RC, với tần số dao động được xác định bởi các thành phần R và C Tần số này bao gồm cả cấu hình RC nối tiếp và RC mắc song song, trong đó ωmt được tính từ C và R.
VớiAlàbộ khuếch đại không đảo
TrongmạchdaođộngcầuWien, doAlàm ạc h khuếchđạikhôngđảo, vì vậy đểthỏamãn yêucầuvềphathì:∠β=0 0
Vậymạchsẽ daođộng tạitầnsố ωmt o ωmt= 1 hay f= 1
√ R 1 R 2 C 1 C 2 2πn √ R 1 R 2 C 1 C 2 Đểmạchduytrìdaođộngtạitầnsốcủacôngthức(III),phảithỏađiềukiệnvềbiênđộ , khi đó tại tầnsốdao động: β = 1 =1 1+R 1 +C 2 3
Sauđây,chúng tasẽkhảo sátmộtmạchdaođộngcầu WiendùngOp-Amp
Mạch dao động cầu Wien yêu cầu điều kiện Aβ ≥ 1 để khởi động khi cấp điện, sau đó tự ổn định ở Aβ = 1 Mạch này sử dụng Op-Amp như được thể hiện trong hình 3.10.
Daođộng cộnghưởng
Mạch cộnghưởngsong song
Chúng ta sẽ nghiên cứu mạch khuếch đại tín hiệu trong băng tần hẹp với tần số trung tâm là ω₀ Mạch này được thiết kế để loại bỏ các tần số nằm dưới tần số cắt thấp f_L và trên tần số cắt cao f_H Mạch cộng hưởng đóng vai trò quan trọng và được sử dụng phổ biến trong hầu hết các thiết bị viễn thông.
C ' là điện dung ngoài bao gồm cả điện dung cuộn cảm Trước khitiến hànhtínhtoán,tagiảsử: R L ≪R ev à r bb' =0
Điện dung tổng cộng được tính bằng công thức C = C' + Cb'e + (1 + gmRL)Cb'c, trong đó C' là điện dung bên ngoài Cuộn dây được coi như một phần tương đương với một điện trở r và một cuộn cảm L mắc nối tiếp để biểu diễn sự mất mát Hệ số phẩm chất của cuộn dây được xác định qua các yếu tố này.
CuộndâyđượcxemtươngđươngvớimộtLvà r cm ắ c nốitiếp.Điệntrở R P làmộthàmtheownếu r c v àLlàhằngsố.Đặt R≡r i /¿R P /¿r b'c Độlợidòngđiệncủa bộkhuếchđại là:
Thế sωmt=jw ,ta được:
1+j(ωLRC− R ) ωmtL 1+jωmt o RC [ ωmt− ωL 0 ] ωmt o ωmt o LC
Chúng ta địnhnghĩa hệsốphẩmchất ngõvào điềuhợpở tầnsố cộnghưởng wl à : Q= R = ωmtR C G i ả i tíchmạchvàcácvấnđềthiếtkếởtrêngiảsửrằng Q o i o i o và Q Clớn hơn 5.
Giảiphươngtrình này tasẽđượchai nghiệm đó là f h và f L
So sánh tích số của độ lợi khổ tần trong các chương trước, ta nhận thấy tỉ số độ lợi khổ tần tương tự như trường hợp ghép RC, chỉ phụ thuộc vào g m của transistor và tổng số điện dung ngõ vào.
Việc bổ sung cuộn dây điều hợp có hệ số phẩm chất Q cao giúp điều chỉnh đường cong đáp ứng của bộ khuếch đại RC mà không làm giảm độ rộng của đường cong tính bằng Hz, đồng thời duy trì độ lợi ổn định.
*Ví dụ:Thiết kế một bộ khuếch đại đơn tầng hoạt động ở tần số giữa là455kHzcóbăngthông10kHz.Transistorcócácthôngsốsau: g m = 0,04; h fe 0
Lờigiải Để cóbăngthông10kHz,ápdụngcôngthứctađược:
Để đảm bảo điện dung có giá trị dương, giá trị của Q cần phải lớn hơn 45,5 Ở tần số 455 kHz, giá trị Q thường được chọn trong khoảng từ 10 đến 150.
Tacóthể tính: R P =Q c ωmt o L ≈2kΩ Vì thế R=ri/ ¿R P/ ¿r b ' e =910Ω Độ lợi dãy giữa: A ℑ =−g m R = ( −0,04 )( 910 ) =−36,4
Mạch cộnghưởngnối tiếp
Ở tần số rất cao (f o > 50MHz), mạch cộng hưởng sωmtong có Q thấp, dẫn đến dãy thông rộng Nếu không sử dụng C' và giả định rằng r i, R P và R b là vô hạn, thì Q i có thể xấp xỉ bằng Q i ≈ ωmt o r b' e C b' Khi bỏ qua điện dung Miller, ta có C ≈ C và Q ≈ ∈1T Để tăng Q của mạch, có thể thêm C' b' b' e i β.
Việc tăng điện dung trong mạch sẽ dẫn đến việc giảm điện cảm cần thiết Ở tần số cao, mạch công hưởng nối tiếp có thể được áp dụng để đạt được hệ số Q cao với giá trị điện cảm hợp lý Kỹ thuật này sẽ được minh họa qua ví dụ dưới đây.
*Vídụ:Bộ khuếch đạicó băngthông3dB là2 MHz và tầnsốcộng hưởng
C' =4pF.Tải R L P a Môtả hoạtđộngcủamạch. b Tìm L' , L P , L C , C c v àtỷsốvòngdây.
P a Mạchk h u ế c h đ ạ i n à y đ ư ợ c t h i ế t k ế đ ể Q c ủ a m ạ c h đ ư ợ c x á c đ ị n h b ở i mạch cộng hưởng nối tiếp Mạch RLC song song ở ngõ vào và mạch baseđượcthiết kế cóQthấp.
Giảsử Qcủamạch basevà củamạchvàođủnhỏ để:
Q ' 0tại tầnsố100 MHzcóthể dễ dàng đạt được.Giảsử rằngbiếnápcó
Vì r=50⟶R ' =r/ ¿R ' ≈50Ω Ởmạchbase,đểcộnghưởngvới C b' =16pF y ê ucầu L b ≈0,17μHH Giảsử rằng Q b 0
Vàvì r b ' e P⟶R b ' =RP/¿R b / ¿r b ' e ≈ 50Ω (giảsửrằng Rb≫r b ' e P)Chú ý rằngQcủamạchlà:
QcủamạchvàovàmạchnềnphảinhỏhơnnhiềusovớiQcầnthiếtlà50. Dođótrên dãythông100±1MHz tagiảđịnhđượcmạch nhưhìnhsau: Đểcó Q c = 50ở tần số100MHztacó:
Chú ý rằng hệ số phẩm chất của cuộn cảm L clà ωmt o L c /r cp h ả i l ớ n h ơ n 5 0 t r ê n toàn bộ mạch Q ct ư ơ n g đ ư ơ n g 5 0 C u ộ n c ả m L c có Q = 250 ở 100 MHz Ta giảsửthiết kế L ccó Qnhư trên,do đó: ωmt o L c
Mạch điềuhợp đượcdễ dàng cóthểdùng biếndungthay cho C c
Daođộng Colpitts
Cácthôngsốcủamạch đượcxác định: R 1,2 ≫h ie ωmt= 1
Daođộng Hartley
Thỏamãnđiềukiệnvề cân bằngpha Điềukiệncânbằngbiênđộ:(TínhchomạchHartleyEchung)
(Điều kiện L 1và L 2ghép lỏng)
Daođộng thạch anh
Mạch tương đương của thạch anh bao gồm nhiều nhánh với tần số cộng hưởng gần bằng số lẻ của tần số cơ bản (f sωmt, f p) Những tần số này được gọi là overtones Trong một khoảng tần số nhỏ xung quanh tần số cộng hưởng, mạch điện tương đương có sơ đồ đơn giản.
Trấtl ớ n c ỡ1 0 5 ÷10 6 G iá t rị L r T ,C T phụthuộckíchcỡ,chiềucắtthạch anh.Điệntrở r Tđ ặ c trưngtổnhaocủamạchthạchanh,chủyếudođiệncực,cấutrúc ráp, điệntrở dâynối ra L Tk h o ả n g (16÷6000)mH
Tầnsố(MHz) Modecơbản r T (Ω) C T (pF) C o (pF)
Bảng3.1:ThôngsωmtốthạchanhcủaJANCrysωmttalsωmt
T ≪ωLL T ,ta có: Z TA ≈jω ωmt ( C ωmt 2 LC − 1 T +C ) −ωmtL
Hay Z TA (jωL )= ωmt ωmt sωmt
Tầnsốcộng hưởngnốitiếp: ωmt2LC −1=0suyra:
Tầnsốcộnghưởng song song: C+C− ωmt2 LC C =0suyra: ωmt= 1
Trongk h o ả n g ωmt Sđến ωmt P ,t h ạ c h a n h c ó c ả m t í n h k h á n g , d ù n g t r o n g m ạ c h daođộng thạch anhkiểusongsong.
Tại ωmt St h ạ c h anhcoinhưthuầntrởrấtnhỏ r T, dùngtrongmạchdaođộngthạchan hkiểunốitiếp.Tacótỷsố: Giátrị Knằm giữa250 và400 f P =
Kỹthuật điềuchếvà giảiđiềuchếtươngtự
*Định nghĩa:Điều chế là quá trình biến đổi một trong các thông số sóngmangcaotần(biênđộ,hoặc tầnsố hoặc pha)tỷlệvớitínhiệuđiềuchếbăng gốc(BB- baseband).
1 Tần số sóng mang cao tần fC(810)Fmax, trong đó Fmax - tầnsốcựcđại tín hiệuđiềuchếBB.
2 Thông số sóng mang cao tần (hoặc biên độ, hoặc tần số, hoặc pha)biếnđổitỷlệvớibiênđộtínhiệuđiềuchếBBmàkhôngphụthuộcvà otầnsố củanó.
4 Trong điều chế xung – số, tần số lấy mẫu (Fmax – tần số cực đại tínhiệubăng gốc).
Cácphươngphápđiềuchếtươngtự:AM,FM,PM,SSB,DSB.
Cácphươngphápđiềuchếsố:ASK,FSK,PSK,QPSK,…
Cácphươngphápđiềuchếxung:PAM(PulseAmplitudeModulation),P WM(Pulse,PPM).
Chuyểnđổicủatínhiệutừtầnsốthấplêntầnsốcaovàbiếnđổithành dạngsóng điệntừlantruyền trong không gian
Cho phép sửdụng hữu hiệukênh truyền
Hệthống điềubiênAM
Phươngtrình điềuchếvàhệ sốđiềuchế
Tínhiệusóngmangthườnglàtínhiệusin cótầnsốcao x C ( t)=V C cosωmtωmt C t
Trong trường hợp m(t) là một tín hiệu sin đơn tần, ta có công thức m(t) = V_m cos(ω_m t) Tín hiệu điều chế AM được biểu diễn bởi y_AM(t) = [V_C + V_m cos(ω_m t)] cos(ω_C t), trong đó V_C là biên độ của sóng mang Hệ số điều chế m_A được xác định bởi m_A = V_m / V_C, với điều kiện m_A ≤ 1 để tránh méo Nếu m(t) là tổng hợp của nhiều tín hiệu sin đơn tần, ta có m(t) = V_1 cos(ω_m t_1) + V_2 cos(ω_m t_2) + V_3 cos(ω_m t_3) + và giá trị m được tính bằng m = √(m_1² + m_2² + m_3² + ).
Phổcủatín hiệuAM
Tacó: y AM (t)=[V ¿¿c+m(t)]cosωmt c t =V c cosωmtωmt c t +m(t)cosωmt c t ¿
F Y =πnV [ δ ( ωL−ωmt ) +δ ( ωL+ωmt ) ] + 1[ M ( ωL− ωmt ) +M ( ωL+ωmt ) ]
Xéttrườnghợpm(t)làmộttínhiệusinđơntần: m (t)=V m cosωmtωmt m t
Côngsuấtcủatín hiệuAM
TínhiệuAMsauđiềuchếđượcchoquađiệntrở.Côngsuấtrơitrênđiệntrởkh i đó gọi làcôngsuấtchuẩn:
Hiệus u ấ t đ i ề u c h ế : B ằ n g c ô n g s u ấ t c ó í c h ( c ô n g s u ấ t m a n g t i n t ứ c ) c h i a c h o côngsuấtcủatoàn bộ tín hiệuAM.
Vídụ:T í nh i ệ u A M á p đ ư ợ c đ i ề u c h ế b ở i m ộ t t í n h i ệ u s i n đ ơ n t ầ n m(t)=V m cosωmtωmt m t B i ế t V max =50V , V min V tính m A ? V m ? P AM trêntảiR = 5 0? Hiệusuấtđiềuchế. m= 50−10=
Mạch điềuchếAM
− v D i=Ie 26mV =a+ av + av 2 +…≈a+ av + av 2 i=a+ a [ m(t)+x(t) ] +a [ m(t)+x( t) ] 2
i= a+ am (t)+am (t)2+ax (t)+2am (t)x(t)+ax ( t)2
Dòng i Dg ồ m rấtnhiềuthànhphầntầnsố.Tuynhiên,khungcộnghưởngLCđượcthiếtk ếđểcộnghưởngnênsau khiqua khungcộnghưởngchỉcònlại: i D = a 1 x C ( t)+2a 2 m (t)x C ( t)=[a 1 + 2a 2 m (t)]x C ( t) :ĐâychínhlàtínhiệuAM b ĐiềuchếAMdùngtransistor
Hình4.5:Mạchđiềuchế AMdùngtransωmtisωmttor
Tínhiệutintứcm(t)đượcđưavàomạchquabiếnápcótỷsốbiếnáp1:1nhằm cáchlyvới nguồn V cc
Nguồnxungvuông v c (t) cótầnsốl ớn hơnnhiều so vớim(t)đóng vaitròs óng mang v c (t)l à mchotransistorQđóngngắt bãohòa.
MạchcộnghưởngRLCđóngvaitròmộtmạchlọcthôngdảiĐiện trở R Cdùng để phân cực chotransistorQdẫn bão hòa
KhiQdẫnbảohòa: V out (t)=0;KhiQn gắt: V out ( t)=V CC + m(t)
V out ( t)=[V CC +m( t)]v c ( t) v c (t)làmộttín hiệu tuần hoàn nênđượckhai triển thành chuỗiFourier như sau: v(t)= 1
+ 2 [ sinωmt c t + sinωmt c t +s inωmt c t +… ] = 1 +2 sinωmt c t +2 sinωmt c t +2 sinωmt c t +…
(t)= [ V +m( t) ] [ 1 +2 sinωmt c t +2 sinωmt c t +2 sinωmt c t +…] out CC πn 2 3πn 5πn
V +m(t)2 sinωmt πn c t :Đâychính làtínhiệu AM
Mạch giải điềuchế
Tín hiệu AM vào làm thay đổi giá trị điện áp trên diode D Làm cho D tắthoặc dẫn.
Kết quả là giá trị điện áp ở ngõ ra m'(t) bám theo đường bao của tín hiệuAM.Đâychính làtínhiệucầngiải điềuchế.
Kết quả tách sóng hình bao phụ thuộc vào thời hằng ơ = RC Nếu ơ quá nhỏ, tụ xả nhanh dẫn đến đường bao bị nhấp nhô Ngược lại, nếu ơ quá lớn, tụ xả chậm không theo kịp sự suy giảm của tín hiệu AM ngõ vào Cả hai trường hợp này đều làm tín hiệu giải điều chế bị méo dạng.
Hình4.10:Méotín hiệutáchsωmtóng hình bao ωmt C m m Điềukiệntáchsónghìnhbaokhôngméođốivớitínhiệuđiềuchếsinđơn tầncótầnsố f m : m A ≤
: dungkháng củatụ C c 2πnfC f m: tầnsố tín hiệuđiềuchế m A: hệsốđiềuchế b Táchsóngkếthợp
Tín hiệu AM được biểu diễn dưới dạng v AM(t) = [V c + m(t)] cos(ωmt + ct), trong đó tín hiệu điều chế có tần số thấp m(t) = V m cos(ωmt + mt) có thể được giải điều chế bằng cách nhân với tín hiệu sóng mang V LO(t) = V o cos(ωmt(ωmt + ct + θ o)) và lọc thông thấp để thu hồi tín hiệu gốc.
Hình4.11:Sơđồkhốitáchsωmtóngkếthợp v(t)=v AM ( t).v LO ( t)= [ V c + m( t) ] c osωmt c t.V o c os(ωmt c t +θ o )
Qua LPFcònthànhphần tầnsốthấpởngõra: m ' (t)= V o [ V c +m(t) ] cosθ= V o V c cosθ+ V o cosθ o m(t)
Tín hiệugiải điềuchế m ' (t) tỷ lệvới m(t)
Hệthống điềuchếdảibiên(DSBSC, SSB,VSB)
DSBSC
SC )làtruyềntrongđ ó c á c t ầ n s ố đ ư ợ c t ạ o r a b ở i điềuc h ế b i ê n đ ộ (AM)đ ư ợ c đ ặ t cách đối xứng trên và dưới tần số sóng mang và mức sóng mang được giảmxuốngmứcthựctếthấp nhất, lý tưởnglàbị triệt tiêuhoàn toàn
Trong điều chế DSB-SC, sóng mang không được truyền đi như trong AM, dẫn đến việc phần lớn công suất được phân phối giữa các dải bên Điều này cho thấy rằng lớp phủ trong DSB-SC cao hơn so với AM, khi sử dụng cùng một mức điện.
Truyền dẫn DSB-SC là một dạng truyền sóng mang giảm băng tần kép, thường được áp dụng trong các hệ thống dữ liệu vô tuyến Phương thức này phổ biến trong liên lạc giọng nói vô tuyến nghiệp dư, đặc biệt là trên các dải tần số cao.
DSB-SC là sóng điều chế biên độ không có sóng mang, giúp giảm lãng phí điện năng và đạt hiệu suất 50% So với truyền AM thông thường (DSB) có hiệu suất tối đa 33,333%, DSB-SC mang lại hiệu quả cao hơn nhờ loại bỏ 2/3 công suất nằm trong sóng mang không truyền tải thông tin hữu ích Đặc biệt, sóng mang một bên bị triệt tiêu (SSB-SC) đạt hiệu quả 100%.
DSB-SC (Double Sideband Suppressed Carrier) được hình thành thông qua một bộ trộn, nơi tín hiệu tin nhắn được nhân với tín hiệu sóng mang Quá trình này có thể được biểu diễn toán học bằng cách sử dụng phép đồng nhất lượng giác tích-tổng.
4.3.1.3 Giảiđiềuchế Đối với DSBSC, Giải điều chế mạch lạc được thực hiện bằng cách nhântín hiệu DSB-SC với tín hiệu sóng mang (cùng pha như trong quá trình điều chế)giống như quá trình điều chế Tín hiệu kết quả này sau đó được chuyển qua bộlọcthông thấp để tạoraphiênbản tỷ lệcủatín hiệubảntin gốc.
Phương trình trong hình minh họa rằng khi nhân tín hiệu điều chế với tín hiệu sóng mang, ta thu được phiên bản tỉ lệ của tín hiệu ban đầu cộng với một số hạng có tần suất cao hơn Do tần số của số hạng thứ hai (ωmt c) lớn hơn nhiều so với tần số của thông điệp ban đầu (ωmt m), khi tín hiệu này đi qua bộ lọc thông thấp, các thành phần tần số cao sẽ bị loại bỏ, chỉ giữ lại thông điệp gốc.
4.3.1.4 Biếndạngvàsuygiảm Đối với giải điều chế, tần số và pha của bộ dao động giải điều chế phảihoàntoàngiống vớitầnsốcủa bộ daođộng điềuchế,nếu không,sự biếndạng và ,hoặcsuy haosẽxảy ra. Đểxemhiệuứngnày,hãythựchiệncác điều kiệnsau:
Tínhiệu điềuchế(sóng mang): V c cosωmt(ωL c t)
Tínhiệukết quả sau đó cóthể đượcđưarabởi:
Các c o s (∆ωωmt.t+θ) thể hiện sự biến dạng và suy giảm của tín hiệu bản tin gốc Nếu tần số chính xác nhưng pha không đúng, yếu tố θ sẽ gây ra suy giảm liên tục Trong khi đó, ∆ωωmt.t đại diện cho sự đảo ngược theo chu kỳ của tín hiệu phục hồi, đây là một dạng méo nghiêm trọng.
4.3.1.5 Cáchthứchoạtđộng Điều này được thể hiện tốt nhất bằng đồ thị Dưới đây là một tín hiệuthông báo mà người ta có thể muốn điều chế lên sóng mang, bao gồm một vàithànhphần hình sin cótầnsố tươngứng là800 Hzvà 1200 Hz
Phương trình cho tín hiệu thông báo này là sωmt( t)= 1 cos
Sóngmang,trongtrườnghợpnày,làtầnsố 5kHz(hìnhsin) Điềuc h ế đ ư ợ c thựch i ệ n bằngp h é p n h â n trongmiền t h ờ i g ia n, t ạ o rat í n hiệusóng mang5kHz,cóbiênđộthay đổi giống nhưtín hiệubảntin.
Tên "sóng mang bị triệt tiêu" xuất phát từ việc thành phần tần số của sóng mang không xuất hiện trong tín hiệu đầu ra Điều này được thể hiện rõ khi quan sát phổ của tín hiệu đầu ra Trong hình ảnh minh họa, có bốn đỉnh: hai đỉnh dưới 5000 Hz thuộc dải bên dưới (LSB) và hai đỉnh trên 5000 Hz thuộc dải bên trên (USB), nhưng không có đỉnh nào tại tần số 5000 Hz, chính là tần số của sóng mang bị triệt tiêu.
SSB
Điều chế đơn biên (SSB - single side band) là quá trình tạo ra một biên tần (biên trên hoặc biên dưới) của tín hiệu AM, giúp giảm băng thông cao tần xuống một nửa và tiết kiệm băng tần, đồng thời giảm nhiễu Mặc dù việc thực hiện phức tạp hơn, nhưng công suất phát của SSB thấp hơn nhiều so với AM ở cùng khoảng cách thông tin, vì chỉ truyền một biên mà không cần công suất sóng mang lớn Điều này mang lại hiệu quả sử dụng công suất cao và tỷ số S/N lớn hơn so với AM do nhiễu được giảm thiểu.
Để tạo ra tín hiệu SSB, cần loại bỏ sóng mang phụ của tín hiệu AM, giữ lại hai biên DSB Sau đó, sử dụng bộ lọc BPF để lấy một biên.
Hình:Sơ đồkhối phương phápxoaypha 90 o
V m V c v=Vc o sωmt ωmtt Vc o sωmt ωmtt = [cos( ωmt+ ωL ) t+cos( ωmt− ωmt ) t]
Bộxoay pha90 o biến đổicosthànhsin do đóngõ rabộ điềuchếcânbằng2 là:
V m V c v= Vc o sωmt ωmtt Vc o sωmt ωmtt = [cos( ωmt− ωmt
NgõrabộcộngcònlạitínhiệubiêndướiSSB: v SSB =v 1 + v 2 =V m V c cosωmt ( ωL c − ωmt m ) t
Hình:Sơ đồ khốiphương pháp xoay pha sωmtóng mang 90 o hai lần
V m v= m(t)sinωmtt =Vc o sωmt ωmtt sωmtinωmtt = [sin( ωmt+ ωmt ) t+sin( ωmt− ωmt ) t]
QuabộlọcLPF1cònlạithànhphần: V m sωmtin ( ωmt−ωmt ) t
V m v= m(t)cosωmtt =Vc o sωmt ωmtt cosωmtωmtt = [cos( ωmt+ ωmt ) t+cos( ωL− ωmt ) t]
QuabộlọcLPF2cònlạithànhphần: V m cosωmt ( ωL− ωmt ) t
Tínhiệungõrabộ điều chếcânbằng 3: v= V m sωmtin ( ωmt− ωmt ) t.sωmtinωmtt = V m
[cos( ωmt− ωmt+ ωmt ) t−cos( ωmt+ ωL− ωmt ) t]
Tínhiệungõrabộ điều chếcânbằng 4: v V m cosωmt ωmt ωmt
4 [ cos( ωLc+ωmto−ωmtm ) t+cos( ωLc−ωmto+ωmt m
VSB
Điều chế Vestigial Sideband (VSB) là một kỹ thuật điều chế cho phép truyền tải một dải bên cùng với một phần hoặc dấu tích của dải bên kia Kỹ thuật này kết hợp các yếu tố của điều chế DSB-SC và SSB, mang lại hiệu quả cao trong việc truyền thông.
Kỹ thuật VSB được phát triển để khắc phục những hạn chế của điều chế SSB Điều chế SSB đòi hỏi bộ lọc phải có tần số chính xác để truyền tải hoàn toàn một dải biên.
Việc sử dụng điều chế VSB cho phép đơn giản hóa thiết kế của bộ lọc một cách đáng kể Hơn nữa, điều chế SSB không thể truyền tín hiệu tần số cực thấp một cách chính xác, vì vậy kỹ thuật VSB trở thành lựa chọn ưu việt.
Thôngthường,kỹthuậtVSBđượcsửdụngtrongtruyềndẫntruyềnhình vìtín hiệutruyền hình làtín hiệutầnsốcựcthấp
Tín hiệu VSB được tạo ra từ đầu ra của bộ lọc dải biên trong mạch Để truyền tín hiệu này đi xa hơn, cần phải khuếch đại tín hiệu thêm.
Bộ điều chế cân bằng tạo ra tín hiệu DSB-SC, sau đó tín hiệu này được đưa đến bộ lọc dải biên Bộ lọc được thiết kế để truyền một dải bên, bao gồm cả vết tích của dải tín hiệu.
Rõrànglàtrongđiềuchếdảibiêntiềnnghiệm,mộtsốphầnUSBbịloạibỏđượ cbù đắp bằng dấu tíchcủaLSB.
Tuyn h i ê n , c á c h ệ t h ố n g s ử d ụ n g t r i ệ t t i ê u t í n h i ệ u đ ô i k h i c h ỉ l o ạ i b ỏ sóng mang và đôi khi một dải biên cùng với sóng mang Do đó, có một số điểmsosánhgiữachúng.
Hệ thống điều chế biên độ thông thường dẫn đến việc tăng cả công suất tiêu thụ và băng thông Ngược lại, các hệ thống DSB-SC và SSB giúp giảm thiểu tiêu thụ điện năng Trong số các hệ thống, VSB được đánh giá là hiệu quả nhất về việc sử dụng băng thông.
Trong kỹ thuật điều chế DSB-SC và SSB, bộ lọc cần có hiệu quả cao để loại bỏ sóng mang và dải biên mong muốn Tuy nhiên, đối với VSB, yêu cầu về đặc tính lọc không cần chính xác như vậy.
Phương pháp điều chế biên độ thông thường mang lại giải pháp đơn giản cho việc điều chế ở đầu máy thu Tuy nhiên, việc phát hiện các tín hiệu DSB-SC, SSB và VSB lại gặp nhiều khó khăn và tốn kém Vì lý do này, trong lĩnh vực phát sóng, kỹ thuật điều chế biên độ thông thường vẫn được ưa chuộng và sử dụng rộng rãi.
Cácđặctínhcủabộlọckhôngcầnphảicóđộchínhxáccaodođólàmc hothiết kế củanó trởnên đơn giản.
Nódễd à n g t r u y ề n c á c t h à n h phầnt ầ n số t h ấ p và sở h ữ u đặct í n h pha tốt.
Yêucầ u b ă n g t h ô n g c ủ a n ó c a o h ơn m ộ t ch út so v ớ i y ê u c ầ u c ủ a điềuchếSSB, dosựhiệndiệncủavết tích.
Điềuchếdảibêntiềnnghiệmdẫn đếnmộtquátrìnhgiảiđiềuchế phứctạpởđầu cuối máythu.
Kỹ thuật VSB (Vestigial Side Band) được áp dụng rộng rãi trong việc truyền tín hiệu truyền hình, cho phép truyền tải đồng thời cả âm thanh và hình ảnh trong quá trình phát sóng TV.
Vìb ă n g t h ô n g c ủ a t í n h i ệ u v i d e o l à 4 , 2 M H z v à c h ú n g t a đ ã t h ả o l u ậ n trong điều chế DSB-SC rằng nó yêu cầu băng thông gấp đôi so với tín hiệu tinnhắn.Dođ ó t r o n g t r ư ờ n g h ợ p c ủ a h ệ t h ố n g D S B , b ă n g t h ô n g y ê u c ầ u s ẽ t r ở thành8,4 MHz,tứclàgấpđôi băng thông củatín hiệuvideo.
Hơnnữa,bằngcáchchènbăngtầnbảovệgiữacácsóngmangâmthanhvà video, nó dẫn đến việc tăng thêm một số băng thông kênh và khiến nó đạt tới9MHz.
KỹthuậtVSBchophéptruyềntínhiệucủadảibiêntrêncùngvớidấutíchcủad ải biêndưới.Tuy nhiên,nên kìm nén phần cònlại.
Từ1,25MHzcủa dải tầnbêndưới,vếttích0,75MHz đượctruyềnđivà phầncònlại bịtriệttiêu.Điềunàyvề cơbản đơn giảnhóacácyêu cầulọc.
HệthốngđiềutầnFM,điều phaPM
ĐiềutầnFM
Đểđơngiảnphântích,cho m (t)=V m cosωmtωmt m t v àphabanđầusóngmang θ o =0
.Tínhiệu.FMcódạngnhưsau: y (t)=V cos ( ωmtt + k f V m sωmt inωmt t ) =V cos ( ωL c c ωmt f m t+msωmt i n ωmtt )
Xét FM dải hẹp (NBFM) khi độ điều chế tần số nhỏ (mf < 0.25), ta có biểu thức yFM(t) = Vc cos(ωmtct + mf sωmtinωmtmt) Gần đúng, yFM(t) có thể được biểu diễn như sau: yFM(t) ≈ Vc [cos(ωmtct) - (mf sωmtinωmtmt) sin(ωmtct)] Điều này cho thấy mối quan hệ giữa độ điều chế và tần số trong hệ thống NBFM.
[ δ ( ωmt−ωmt −ωmt ) −δ ( ωmt+ωL− ωmt ) −δ ( ωmt−ωmt +ωmt ) +δ ( ωmt+ωL+ ωL
PhổtínhiệuFMdải hẹp gồmsóngmangvàhaibiêntươngtự AMXétFM dải rộng (WBFM:wideband FM m f> 0.25) y FM ( t ) =V c c os( ωmt c t +m f sωmt inωmt m t ) y FM (t)cóthểkhaitriểntheocáchệsốcủahàmBesselnhưsau: y (t )=V{ J ∞
( m ) cosωmtt + ∑ J ( m ) [cos ( ωmt+ nωL ) t+(− 1) n cos ( ωL−nωmt ) t]}
Bảng4.1:hệsωmtốcủa hàmBesωmtsωmteltươngứng vớimộtsωmtốchỉsωmtố điềuchế m f
PhổFMđiềuchếđơn âm f mvới các giátrị m fk h á c n h a u :
Về lý thuyết độ rộng băng thông cao tần tín hiệu FM vô cùng lớn, tuy nhiênthựct ế q u y đ ị n h g i ớ i h ạ n b ă n g t h ô n g F M đ ế n t h à n h p h ầ n p h ổ b i ê n J n ( m f ) ≥ 0,01J o ( m f )
B FM ≈2(∆ωf+f m ) với: f m- tần số tín hiệuđiềuchếtầnthấp băng gốc
Băng thông 3dB của mạch cao tần phải lớn hơn băng thông tính theo côngthứctrênđểkhông méo.
Tổng công suất của tín hiệu điều tần không đổi tương đương với công suất sóng mang khi không có điều chế Biên độ của sóng mang FM không điều chế được ký hiệu là V, và công suất sóng mang trên tải R được tính toán dựa trên giá trị này.
FM dải rộng với khả năng chống nhiễu cao được sử dụng trong phát thanh FM Stereo, truyền hình vi ba và truyền hình vệ tinh Độ di tần cực đại cho FM trong phát thanh và âm thanh TV là ±75 KHz.
ĐiềuphaPM
Biểuthứccủatín hiệuđiềupha: y PM (t)=V c cos(ωL c t+k p m(t)) ωmt
Xéttrườnghợptínhiệuđiềuchếlàsinđơntần: m (t)=V m cosωmtωmt m t y PM ( t ) =V c c os( ωmt c t +k p V m c osωmt m t ) =V c c os( ωmt c t +m p c osωmt m t ) trong đó: m p =k p V m - h ệsốđiềuchế
Biểu thức của tín hiệu điều tần FM tương tự như biểu thức của tín hiệu điều chế pha (PM), dẫn đến việc phân tích phổ, băng thông và công suất có nhiều điểm tương đồng Khi có một hệ số điều chế cố định, mối tương quan giữa biên độ, phổ và công suất của PM và FM hoàn toàn giống nhau Tuy nhiên, sự khác biệt trong phổ của PM và FM có thể được nhận diện khi điều chỉnh tần số của tín hiệu điều chế.
FM: m= k f V m = ∆ωmt = ∆f –tỷ lệnghịchvới f f m m ωmt m f m
Do PM có m p không phụ thuộc vào băng thông của tín hiệu PM nhỏ hơn của FM, dẫn đến nhiễu ít hơn và tỷ số tín hiệu trên nhiễu S/N lớn hơn trong cùng điều kiện Tuy nhiên, FM vẫn được sử dụng rộng rãi trong phát thanh quảng bá nhờ vào lịch sử tồn tại và máy thu FM đơn giản, rẻ hơn so với máy thu PM Điều chế pha số PSK, một dạng đặc biệt của điều chế pha PM, được ứng dụng rộng rãi trong thông tin số.
Sơđồ khốivà nguyên lýhoạt động củavòng khóa pha PLL
Sơđồ khối
+Táchsóng pha:so sánh phagiữatín hiệuvàovàtín hiệuracủaVCOđểtạoratín hiệusai lệch V d (t)
+L ọ c t h ô n g t h ấ p : l ọ c g ợ n c ủ a đ i ệ n á p V d (t)đ ểt r ở t h à n h đ i ệ n á p b i ế n đ ổ i chậmvà đưavào mạchkhuếch đạimột chiều.
+K hu ếc h đ ạ i m ộ t c hi ều : k h u ế c h đạ i đ i ệ n á p1 c hi ều V dk (t) đ ểđ ư a v ào điềukhiểntầnsốcủamạchVCO
+ VCO ( Voltage Controlled Oscillator ): bộ dao động mà tần số ra đượcđiềukhiểnbằng điệnápđưavào
Nguyênlý hoạt động
Vòng khóa pha hoạt động dựa trên nguyên tắc điều khiển, trong đó tín hiệu vào và ra được so sánh với nhau về pha Nhiệm vụ của vòng điều khiển pha là phát hiện và điều chỉnh các sai số nhỏ về tần số giữa tín hiệu vào và ra Điều này có nghĩa là PLL giúp tần số f0 của tín hiệu VCO theo sát tần số của tín hiệu đầu vào.
Khi không có tín hiệu vào, điện áp ngõ ra của bộ khuếch đại VCO là 0, và bộ dao động hoạt động ở tần số tự nhiên fN được xác định bởi điện trở và tụ điện bên ngoài Khi có tín hiệu vào vi, bộ tách sóng pha sẽ phân tích tần số và pha của tín hiệu vào so với tín hiệu ra của VCO Ngõ ra của bộ tách sóng pha là điện áp sai lệch Vd.
Điện áp sai lệch Vd(t) được lọc thành phần biến đổi chậm Vdc(t) nhờ bộ lọc thông thấp (LPF) và khuếch đại để tạo ra tín hiệu Vdk(t) đưa đến VCO Mục tiêu là điều khiển tần số VCO sao cho tần số f0 của VCO bằng tần số fic của tín hiệu vào Khi tần số này khớp, bộ VCO sẽ bắt kịp tín hiệu vào, và sự sai lệch giữa hai tín hiệu chỉ còn là sai lệch về pha Bộ tách sóng pha tiếp tục so sánh pha giữa hai tín hiệu để điều chỉnh VCO, giảm thiểu sai lệch pha đến mức tối thiểu.
Các khái niệmdãy khóa, dãybắt
Dãybắt
Dãy bắt B c (Capture range) được ký hiệu là B c = f2 − f1, là dải tần số mà tín hiệu vào có thể thay đổi nhưng PLL vẫn duy trì được sự khoá pha Điều này có nghĩa là bộ VCO vẫn có khả năng bắt kịp tần số tín hiệu đầu vào Nói cách khác, dải tần số này xác định các tín hiệu đầu vào ban đầu cần phải nằm trong giới hạn để PLL có thể thiết lập chế độ đồng bộ.
Băng thông của bộ lọc LPF là yếu tố quyết định để PLL có thể khóa pha Để PLL đạt được trạng thái khóa pha, độ lệch tần số (f1 - fN) cần nằm trong băng thông của LPF Nếu độ lệch này vượt quá băng thông, PLL sẽ không thể khóa pha do biên độ điện áp sau LPF giảm nhanh chóng.
Dãykhóa
Dãy khóa B L (Lock range) được định nghĩa là B L = f max − f min, thể hiện dải tần số mà PLL có khả năng đồng nhất tần số f 0 với f i Dải tần số này còn được gọi là dải đồng chỉnh (Tracking range) Các tần số f max và f min là tần số cực đại và cực tiểu mà PLL có thể thực hiện trong quá trình khóa pha.
Dải khóa của bộ tách sóng pha, khuếch đại và VCO phụ thuộc vào hàm truyền đạt (độ lợi), không bị ảnh hưởng bởi đáp tuyến của bộ lọc LPF Khi PLL khóa pha, điều kiện f i − f 0 = 0 được đảm bảo.
Khi PLL chưa khóa pha f i ≠f 0 Khi PLL khóa pha: f i =f 0 , ở chế độ khóa pha,dao động f 0của VCO bám đồng bộ theo f it r o n g d ả i t ầ n k h ó a B L r ộ n g h ơ n d ả i tầnbắt B C
CấutạobộVCO, bộtáchsóng pha
CấutạobộVCO
Yêucầuchung củamạchVCO làquan hệgiữađiệnáp điềukhiển V dk (t) vàtần số f 0 (t)ra phải tuyến tính Ngoài ra mạch còn có độ ổn định tần số cao, dảibiếnđổicủatầnsốtheođiệnápvàorộng,đơngiản,dễđiềuchỉnhvàthuậnlợi choviệctổhợpthành vimạch(khôngcóđiệncảm).
Có thể sử dụng mọi mạch dao động với tần số dao động thay đổi trong khoảng ±10% đến ±50% xung quanh tần số tự do Tuy nhiên, các bộ dao động tạo xung chữ nhật rất phổ biến do khả năng hoạt động trong dải tần số rộng, từ 1MHz đến khoảng 100MHz Trong khoảng từ 1MHz đến 50MHz, thường sử dụng các mạch dao động đa hài.
Mạch VCO dao động đa hài tiêu biểu được thể hiện trong Hình 5.4 Khi kết nối điện áp điều khiển V dkv với V cc, mạch hoạt động như một dao động đa hài thông thường Khi áp dụng điện áp điều khiển V dk, tần số xung ra sẽ thay đổi theo điện áp này Cụ thể, khi V dk tăng, thời gian phóng nạp của tụ giảm, dẫn đến tần số ra tăng và ngược lại Đặc tuyến truyền đạt f 0 (V dk) được mô tả trong Hình 5.5.
Hình5.5:Đặctínhtruyềnđạt f 0 (V dk ) tiêu biểu của VCO
VCO (Voltage-Controlled Oscillator) có đặc tuyến truyền đạt thể hiện mối quan hệ giữa điện áp điều khiển và tần số dao động Khi điện áp vào VCO là 0, tần số dao động tự do đạt giá trị fN Khi điện áp điều khiển thay đổi một lượng ∆ωV0, tần số sẽ thay đổi tương ứng một lượng ∆ωf0 Độ lợi chuyển đổi Vtofc của VCO được tính bằng công thức k0 = ∆ωf0 / ∆ωV.
Tần số f Nở g i ữ a v ù n g t u y ế n t í n h đ á p t u y ế n V í d ụ k h i t h a y đ ổ i đ i ệ n á p t ừ 1Vđến- 1Vtầnsốtăngtừ60KHzđến140KHz.Độlợichuyểnđổi(hayđộnhạy k 0 ): k= ∆f0
Bộtáchsóng pha
Bộ táchsóngpha haycòngọilàbộso sánh pha.Có 3 loại táchsóng pha:
1 Loại tương tự ở dạng mạch nhân có tín hiệu ra tỷ lệ với biên độ tínhiệuvào.
O R , R S F l i p F l o p v v c ó t í n hiệu ra biến đổi chậm phụ thuộc độ rộng xung ngõ ra tức là phụthuộcsai lệchvề pha giữahai tín hiệuvào.
Hình5.6: nguyênlýhoạtđộng củabộtách sωmtóng pha tương tự
V d ( t ) =Asωmtin[( ωL i −ωmt 0 ) t+(θ i −θ 0 )]+Asωmtin[( ωL i + ωmt 0 ) t+(θ i + θ 0 )]
Bộ lọc thông thấp (LPF) chỉ cho phép các thành phần tần số thấp đi qua Khi khóa pha (ωmt i = ωmt 0), điện áp đầu ra Vd tỉ lệ với biên độ điện áp vào A và độ sai pha θe = θi − θ0 Nếu θ nhỏ, hàm truyền đạt của bộ tác hại sóng pha có tính tuyến tính Đường giới hạn trong |θ| ∈ π xác định độ lợi tác sóng pha k được tính theo công thức: ke = 2∅.
Hình5.7:Hàmtruyền đạtcủabộtáchsωmtóng phatương tự
Dùngmạch sốEX-OR,R-SFlipFlopv.v cóđáptuyếnsosánh dạng pha:
Hình5.8:Hàmtruyềnđạtcủabộ táchsωmtóngpha sωmtố Đáptuyếntuyếntínhtrongkhoảng∣ θ ∣ ≤ πn Độlợitáchsóngpha: e 2 k= A=2 A
Bộ tách sóng pha số R-S Flip-Flop hoạt động dựa trên điện áp sai lệch biến đổi chậm V d tại ngõ ra, tỷ lệ với độ rộng xung ngõ ra Điều này có nghĩa là độ sai lệch về pha θ e (hay tần số ω tức thời) giữa hai tín hiệu đầu vào sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ tách sóng.
Các ứngdụngvòng khóa phaPLL
Bộtổng hợp tầnsốđơn
Trướcđ â y , n g ư ờ i t a t h ự c h i ệ n t h a y đ ổ i t ầ n s ố m ạ c h d a o đ ộ n g L C b ằ n g cách thay đổi giá trị của L hoặc C Lúc đó chúng được gọi là các mạch dao độngcó thể thay đổi tần số VFO
(Variable-frequency Oscillators) Tuy nhiên, mạchdaođộngthườngkhôngcóđộổnđịnhcaotrongmộtdảitầnsốrộngdogiá trị của L và C thường thay đổi theo nhiệt độ, độ ẩm và các tác nhân khác Đồng thờichúngthườngcồngkềnh vàgiáthành cao.
Việc sử dụng thạch anh trong mạch dao động giúp tăng cường độ ổn định tần số dao động, với độ di tần tương đối có thể giảm xuống chỉ còn vài phần triệu trong thời gian dài Tuy nhiên, tần số của thạch anh chỉ có thể thay đổi một cách hạn chế thông qua việc điều chỉnh các tụ nối tiếp hoặc song song, điều này có nghĩa là nó không thể tạo ra các tần số khác biệt nhau.
Nhiều năm gần đây người ta kết hợp các mạch dao động thạch anh có tầnsốổnđịnhvớicácchuyểnmạchđể tạoracáctầnsốkhácnhau chocáckên h.Tuynhiên,giảiphápnày cũngtốn nhiềulinhkiệnvỡ giáthành cao.
Gần đây, các bộ tổng hợp tần số dựa trên nguyên lý vòng khóa pha PLL đã được thiết kế và đưa vào sử dụng, ngày càng trở nên phổ biến trong các máy thu phát hiện đại Chúng có ưu điểm gọn nhẹ, không yêu cầu độ chính xác cơ khí cao và ứng dụng công nghệ vi mạch để nâng cao tốc độ và độ chính xác của IC Khi kết hợp với thạch anh, các bộ tổng hợp này có khả năng tạo ra dải tần rộng, độ chính xác cao và giá thành thấp.
Bộ tổng hợp tần số N suyra f VCO = N.f ref = f o cho phép thay đổi hệ số N từ bộ chia, dẫn đến việc nhận được các tần số ra khác nhau Hệ số N có thể được điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp tại một số chân của IC chia, giúp dễ dàng điều khiển bộ tổng hợp tần số thông qua máy tính hoặc điều khiển từ xa Điều này không chỉ giảm chi phí mà còn đơn giản hóa độ phức tạp so với các bộ tổng hợp tần số sử dụng L, C trước đây.
Mạch này chỉ tạo ra các tần số là bội số của tần số chuẩn f o = N f ref, với f ref là 0 KHz, dẫn đến việc tạo ra các tần số bội số của 100KHz Điều này phù hợp với chương trình phát sóng FM, nơi khoảng cách giữa các kênh là 200KHz Tuy nhiên, mạch không phù hợp với chương trình phát sóng AM, trong đó khoảng cách kênh là 10KHz, do thạch anh không thể dao động dưới tần số 100 KHz.
Bướcthay đổitầnsố tối thiểugọi làđộphân giảicủabộtổng hợp tầnsố. Đểkhắcphục,ngườitasửdụngmộtbộchiacốđịnhđểchianhỏtầnsốchuẩntrư ớckhi đưavào bộ táchsóng pha như hìnhvẽ.
Hình5.10:Bộtổnghợptần sωmtốcó tầnsωmtốrathấp
Hãy thiết kế bộ tổng hợp tần số PLL sử dụng thạch anh 10MHz để tạo ra dải tần số phát quảng bá AM từ 540 KHz đến 1700 KHz Bộ tổng hợp tần số được minh họa trong hình 6.13 Với khoảng cách kênh trong thông tin AM là 10 KHz, ta thiết kế f ref là 10 KHz Khi giá trị N tăng hoặc giảm 1 đơn vị, tần số đầu ra sẽ chuyển đến kênh kế cận Từ đó, ta có thể tính được hệ số Q.
Để xác định dải thay đổi của N, khi N thay đổi 1 đơn vị, tần số sẽ thay đổi tương ứng 1 kênh Điều này cho phép chúng ta xác định giá trị N cần thiết để tạo ra tần số bất kỳ trong dải tần AM Ví dụ, tại tần số thấp nhất của băng tần:
GiảiđiềuchếFM
Khi PLL khóa theo tần số tín hiệu đầu vào, điện áp ngõ vào của VCO tỷ lệ thuận với độ dịch tần số VCO so với f N Sự thay đổi tần số đầu vào sẽ dẫn đến sự dịch chuyển tương ứng của điện áp điều khiển VCO trong khoảng đồng chỉnh B L.
Khi tín hiệu đầu vào là điều tần, điện áp điều khiển của VCO chính là điện áp giải điều chế FM PLL được sử dụng để tách sóng FM dải hẹp hoặc dải rộng với độ tuyến tính cao Giả sử điện áp ra của bộ tách sóng pha cực đại là Vd và điện áp ngõ vào của VCO là kA, thì độ di tần cực đại được tính bằng công thức ∆ωωmt max = k0.kA.Vd, trong đó k0 là độ lợi của VCO.
Dải khóa B L =2∆ωωmt max =2k 0 k A V d Dải khóa hay còn gọi là dải đồng bộ phảilớnhơn độ di tầncủatín hiệuvào.
Giải điều chế FM sử dụng PLL được thực hiện bằng cách thiết lập tần số dao động tự do f N tương ứng với tần số trung tâm của tín hiệu FM đầu vào với biên độ ổn định Trong nhiều ứng dụng cụ thể, trước khi tách sóng pha bằng PLL, cần có mạch khuếch đại biên độ.
Vídụ: IF FM ,7Mhz có C 0 = 3.10 −1 f N
Dảikhóavàngưỡngđộnhạy:ĐiệntrởR1điềuchỉnhdảikhóavàngưỡngđộ nhạy NE560 Mức tín hiệu điện áp nhỏ nhất ngõ vào VCO mà PLL khóa phagọil à n g ư ỡ n g đ ộ n h ạ y B L =±15%.f Ntrong k h i F M p h á t t h a n h c ó đ ộ d i t ầ n ±75KHz hay1% f N( 1 0 , 7 M H z ) Đểgiảm giải khóa,tănggiátrị
(RFbiểuthị độgiảmdải khóatừ15% còn1% hay bằng15)
GiảiđiềuchếFSK
FSK là một dạng tín hiệu FM đặc biệt, sử dụng hai tần số điều tần Giải điều chế FSK liên quan đến việc tách và giải mã tín hiệu quay số điện thoại từ nút nhấn, cũng như truyền tín hiệu số FSK.
Đồngbộ tầnsố ngangvà dọc trong TV
Hình5.13:Mạchđồngbộ tầnsωmtố ngangvàdọc
GiảiđiềuchếAM
Tín hiệu AM cód ạ n g V AM (t)=V 1T [1+m(t)]cosωmt 0 (t) Trong đó tín hiệu điềuchết h ấ p m (t)=V m cosωmtωmt m t cót h ể đ ư ợ c g i ả i đ i ề u c h ế b ằ n g c á c h n h â n v ớ i t í n h i ệ u sóngmang V LO ( t)osωmt(ωmt 0 +θ 0 )
V ( t ) =VAM ( t ) VLO ( t ) =V1T [ 1+m ( t ) ] cosωmt0 ( t ) Acosωmt(ωmt0+θ0)
Tách sóng AM trực tiếp là phương pháp không cần đổi tần, mang lại lợi ích không sử dụng trung tần và không cần chọn lọc tần số ảnh Để đạt được biên độ tín hiệu ra tối đa, góc pha θ 0 phải bằng 0, và dao động nội V LO (t) phải khóa pha với sóng mang Phương pháp này còn được gọi là tách sóng đồng bộ hay tách sóng nhất quán (coherent Detector), và nó có chất lượng tốt hơn so với tách sóng không nhất quán khi tỷ số S/N thấp.
Sửdụng trong FMStereo
(L-R)DSBđượcđiềuchếcânbằngtriệtsóngmang(điềubiênnénSAM)nhờ mộtsóng mangphụ f sωmtc =38KHz
Sóng báo: để thông báo cho máy thu biết được chương trình đang nhận lỡMonohay Stereo.
Không có sóng báo thì chương trình đang nhận là FM Mono Nếu có sóngbáothì chươngtrình đangnhậnlàFM Stereo.
Nếu chất lượng sóng FM Stereo chất lượng kém thì sóng báo sẽ khoá đườnggiảimãFMStereovàmáythu làmviệcnhưkhi thuchươngtrìnhFM Mono.
Phương pháp PLL thường được áp dụng để đồng bộ hóa tần số giữa máy phát và máy thu, giúp máy thu thực hiện hiệu quả quá trình giải mã tín hiệu FM Stereo.
Ngoàira còncótín hiệugọi làsóngthuê bao tầnsố f=67KHz
Tín hiệu từ 2 micro L và R sẽ được 2 tầng khuếch đại micro nâng biên độ.Mạchcộngthứnhấtcộng2tínhiệuLvỡRchoratínhiệuL+Rdànhchomáythu FMMono.
Tín hiệu (L+R) sau đó đi qua mạch lọc băng thông để lọc lấy tín hiệu có dảitầnsố từ 30Hzđến 15KHzvàđưavào mạchcộngtổng hợp.
Bộ cộng thứ 2 sẽ cộng tín hiệu L với tín hiệu R sau khi đã đảo pha 180 độ, tạo ra tín hiệu (L-R) Tín hiệu này được lọc qua mạch lọc băng thông để lấy tín hiệu trong dải tần từ 30Hz đến 15KHz Sau đó, tín hiệu này được đưa vào mạch điều chế cân bằng với tần số sóng mang phụ f_sωmtc 8KHz, sử dụng dao động thạch anh cho máy thu FM stereo Đồng thời, dao động sóng mang phụ f_sωmtc 8KHz được chia đôi và hạn biên để tạo thành sóng báo có tần số f_psωmt KHz, giúp máy thu biết được chương trình đang thu là FM stereo hay mono.
Tín hiệu (L+R), (L-R) DSB có tần số f psωmt KHz được tạo ra bởi bộ cộng thứ 3 Tín hiệu này sau đó được khuếch đại và điều chỉnh điện dung tương đương, tiếp theo được đưa vào tầng dao động sóng mang chính để chuyển đổi thành tín hiệu FM Qua bộ nhân tần số, tín hiệu được khuếch đại cao tần và lọc hài để loại bỏ các thành phần không mong muốn Cuối cùng, tín hiệu được phát ra qua anten để truyền trong không gian và đến máy thu.
Bộ AFC có chức năng so sánh giữa tần số dao động chuẩn và tần số sóng mang chính, giúp duy trì sự ổn định của tần số sóng mang Điều này góp phần nâng cao chất lượng phát sóng của đài phát.
Mạch AFC có nhiệm vụ tạo ra tần số dao động 8 KHz và kiểm soát tần số cũng như pha của đài phát để đưa vào mạch giải mã FMStereo Tín hiệu sóng 38 KHz không chỉ thông báo cho máy thu về việc đài đang phát FM Stereo hay mono, mà còn giúp máy thu điều chỉnh chính xác tần số và pha để hoạt động đồng bộ với đài phát.
Bộ tách sóng FM Mono có khả năng tách tín hiệu FM stereo từ tín hiệu trung tần Tín hiệu FM stereo bao gồm bốn thành phần chính: (L+R), (L-R) DSB, 19KHz và 67KHz.
+ Tín hiệu FM stereo tổng hợp (L+R) sau đó qua mạch lọc băng thôngcótầnsố từ 30Hz đến15KHzđểtạolại tínhiệu(L+R) vàđưavào khốimatrận.
+ Tín hiệu tổng hợp qua mạch khuếch đại băng thông, thường là mạchcộng hưởng để lấy thành phần (L-R)DSB stereo và đưa vào bộ giải mã FMstereo.
Tín hiệu sóng mang f_sωmt 8 KHz được tách ra thông qua bộ tách sóng 19 KHz, thường sử dụng mạch lọc dải hẹp để chỉ cho phép tín hiệu hình sine tần số 19 KHz đi qua Sau đó, tần số này được nhân đôi để phục hồi lại sóng mang, dựa trên nguyên tắc hoạt động của vòng khoá pha PLL.
+Ngoàiratínhiệusóngbáocũngsẽđiều khiểnđènbáođểchomáythu biếtđượcchươngtrình đangthu lỡFMstereohay mono.
RDSB vỡ sóng mang phức tạp 8 KHz để tạo tín hiệu (L-R) tại đầu ra Tín hiệu này được đưa vào khối ma trận, kết hợp với tín hiệu (L+R) để tạo ra tín hiệu L và R Sau đó, tín hiệu này được khuếch đại qua 2 mạch âm tần và phát ra ở 2 loa riêng biệt, tạo thành tín hiệu FM stereo.
KhoáK để mở và khoá nguồn cungcấp cho mạch giải mã FMS t e r e o Trongtrư ờn g h ợ p t h u c h ư ơ n g F M Mo n o h oặ c c h ư ơ n g tr ì n h
F M S t e r e o n h ư n g chấtlượngkémkhôngđạtyêucầuthìkhoáKsẽkhóakhôngchonguồnVCC cungcấpđiệnáp chomạchgiải mãFMStereo,hạnchếnhiễu.
