Hệ thống thu phát thông tin
Các ví dụ về hệ thống thu phát thông tin
1 Giám sát Giám sát và các bộ điều chỉnh tự động các lưới truyền tải công suất điện
2 Quan sát điều kiện thời tiết trong không khí hoặc ở những vùng khí hậu khắc nghiệt
3 Quan sát hoặc điều khiển truyền hình vệ tinh, máy bay, tàu vũ trụ, tên lửa
4 Điều khiển các động cơ cỡ lớn chẳng hạn như tuabin ở nhà máy điện
5 Hệ thống phát thanh, truyền hình, thông tin di động…
Sơ đồ khối hệ thống thu phát thông tin
Trong lĩnh vực điện tử thông tin, thông tin được truyền tải giữa các vị trí khác nhau thông qua thiết bị điện tử và môi trường truyền dẫn Hệ thống này được minh họa bằng sơ đồ khối cơ bản như trong hình 1.1.
Hình 1.1.2.1 Sơ đồ khối của hệ thống thu phát thông tin
• Máy phát: Tập hợp các linh kiện và mạch điện tử được thiết kế để biến đổi tin tức thành tín hiệu phù hợp với môi trường truyền
Môi trường truyền thông là phương tiện dùng để truyền tải thông tin, bao gồm hai loại chính: hữu tuyến và vô tuyến Hữu tuyến sử dụng các dây dẫn như cáp đồng trục và cáp sợi quang, trong khi vô tuyến truyền thông qua khoảng không gian giữa nơi phát và nơi thu, như trong các hệ thống thông tin vi ba số và thông tin vệ tinh.
Máy thu là thiết bị bao gồm các linh kiện và mạch điện tử, được thiết kế nhằm mục đích nhận tín hiệu từ môi trường truyền, xử lý và khôi phục lại tín hiệu ban đầu một cách hiệu quả.
Nhiễu là tín hiệu ngẫu nhiên không mong muốn, làm biến dạng tín hiệu hữu ích trong quá trình phát, truyền dẫn và thu Việc triệt nhiễu đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điện tử thông tin, giúp nâng cao chất lượng tín hiệu truyền dẫn.
Kênh truyền và nhiễu
Các thể loại truyền thông trong không gian có thể được phân chia thành các kênh với tần số khác nhau hoạt động đồng thời cho mạch đa hợp chia tần số, hoặc hoạt động ở các thời điểm khác nhau cho cùng một tần số trong mạch đa hợp chia thời gian.
Hình 1.1.3.1: Truyền thông trong không gian
Hình 1.1.3.2 trình bày một phần tần số từ kênh 1 đến 4, với sự chú ý đến các dải bảo vệ giữa các kênh Cụ thể, dải bảo vệ giữa kênh 1 và 2 nằm trong khoảng từ 430 đến 518Hz Những dải bảo vệ này đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn chặn giao thoa giữa các kênh liền kề.
Các lỗi trong hệ thống truyền thông FDM xuất phát từ nhiều nguyên nhân, bao gồm sự trôi dạt, giới hạn dải thông, nhiễu xuyên âm, biến dạng và nhiễu liên kết cao tần RF.
Hình 1.1.3.2: Các tần số từ kênh 1 đến 4
Nhiễu trong hệ thống thông tin xuất hiện ở kênh truyền và thiết bị, là thành phần không mong muốn gây ảnh hưởng đến tín hiệu hữu ích Mặc dù không thể loại bỏ hoàn toàn nhiễu, nhưng có thể giảm thiểu nó thông qua các biện pháp như giảm băng thông tín hiệu, tăng công suất máy phát, hoặc sử dụng bộ khuếch đại nhiễu thấp.
Có hai loại nhiễu là nhiễu bên ngoài: xuất hiện trên kênh truyền và nhiễu bên trong: xuất hiện trong bản thân thiết bị
Nếu môi trường truyền dẫn là không gian thì nó có nhiều loại nhiễu như nhiễu thiết bị, từ khí quyển và từ không gian
Nhiễu thiết bị xuất phát từ các thiết bị công nghiệp và dân dụng trong quá trình hoạt động, như động cơ ô tô, motor điện, máy tính và đèn điện tử Nhiễu này có phổ tần rộng nhưng phân bố không đồng đều, thường ảnh hưởng mạnh ở dải tần thấp hơn Sự phân bố tần số nhiễu phụ thuộc vào loại thiết bị phát sinh nhiễu và môi trường truyền dẫn của nó đến thiết bị khảo sát Ví dụ, máy tính tạo ra nhiễu mạnh tại các tần số bằng bội số và ước số của tần số xung clock, trong khi tại các tần số khác, năng lượng nhiễu thường không đáng kể.
Nhiễu do con người tạo ra có thể truyền theo không gian hoặc qua dây dẫn đến máy thu Việc giảm nhiễu tại nguồn phát thường dễ dàng hơn so với tại máy thu Một cách hiệu quả để giảm nhiễu là nối mass cho vỏ máy tính và lớp vỏ của cáp truyền dẫn, đồng thời sử dụng bộ lọc thông thấp dọc theo đường dây cung cấp điện để hạn chế nhiễu từ máy tính.
• Nhiễu khí quyển Nhiễu này chủ yếu là do sấm sét trong bầu khí quyển tạo ra
Nó có khả năng truyền tải qua khoảng cách lớn trong không gian, với phổ được coi là vô hạn Tuy nhiên, mật độ của nó tỉ lệ nghịch với tần số, dẫn đến ảnh hưởng chủ yếu trong vùng tần số nhỏ hơn 20MHz.
Nhiễu này có tỉ số công suất đỉnh trên công suất trung bình rất lớn và xuất hiện trong khoảng thời gian ngắn (xung dạng Burst-loé) so với thời gian nghỉ giữa hai xung nhiễu Mặc dù không thể giảm nhiễu tại nguồn phát, nhưng có thể thực hiện một số biện pháp để giảm thiểu tác động của chúng, chẳng hạn như thiết kế máy móc phù hợp.
6 thu sao cho nó không làm việc trong thời gian xuất hiện nhiễu Kỹ thuật này gọi là kỹ thuật “làm trắng nhiễu"
Nhiễu không gian là hiện tượng xảy ra do phổ năng lượng bức xạ của mặt trời rất rộng, bao gồm cả vùng sóng vô tuyến Điều này có thể gây ra nhiễu cho các thiết bị thu phát, đặc biệt là ở vùng tần số VHF và cao hơn VHF.
Ngoài các nguồn nhiễu từ các vì sao trong vũ trụ, ảnh hưởng của chúng đến công nghệ thông tin là nhỏ hơn do khoảng cách xa so với mặt trời Nhiễu từ mặt trời có tác động lớn đến các vệ tinh thông tin, đặc biệt nghiêm trọng khi mặt trời, vệ tinh và trạm mặt đất nằm thẳng hàng.
Nhiễu bên trong thiết bị xuất phát từ cả thành phần thụ động như điện trở và cáp, cũng như thành phần tích cực như diode, transistor và đèn điện tử Các loại nhiễu này bao gồm nhiễu nhiệt, nhiễu bắn, nhiễu thành phần, nhiễu nhấp nháy (1/f) và nhiễu thời gian chuyển đổi.
Nhiễu nhiệt, hay còn gọi là nhiễu mạch, là hiện tượng phát sinh từ sự chuyển động ngẫu nhiên của các điện tử trong vật dẫn do tác động của nhiệt độ Hiện tượng này xuất hiện trong tất cả các mạch điện, ảnh hưởng đến hiệu suất và độ chính xác của các thiết bị điện tử.
Công suất nhiễu nhiệt trong một vật dẫn không phụ thuộc vào tần số, nên đôi khi được gọi là nhiễu trắng, và được biểu diễn như sau:
PN: công suất nhiễu nhiệt [w] k: hằng số Boltzmann k=1,38.1023 joules/kelvin [J/K]
T: nhiệt độ tuyệt đối [K]; T(°K)=T(°C)+273 B: Băng thông nhiễu [Hz]
Sự thay đổi ngẫu nhiên của dòng điện trong các thiết bị tích cực như đèn điện tử, transistor và diode bán dẫn gây ra hiện tượng điện Dòng điện được hình thành từ các hạt mang điện, bao gồm điện tử và lỗ trống, tạo nên một chuỗi xung liên tiếp Mỗi chuỗi này bao gồm các hạt điện tử mang điện, góp phần vào sự biến đổi của dòng điện trong các thiết bị.
Nhiễu bắn được biểu diễn theo biểu thức như sau:
IN: Dòng điện nhiễu hiệu dụng [A] q: Điện tích của điện tử, bằng 1,6.101º Coulomb
I0: Dòng điện phân cực của thiết bị [A]
Nhiễu flicker, hay còn gọi là nhiễu 1/f, là loại nhiễu có công suất tỉ lệ nghịch với tần số Đôi khi, nó được gọi là nhiễu hồng do năng lượng nhiễu phân bố chủ yếu ở vùng tần số thấp trong dải phổ ánh sáng nhìn thấy Nguyên nhân chính gây ra nhiễu quá mức này là sự thay đổi mật độ hạt mang.
Nhiễu quá mức ảnh hưởng nhiều hơn đến thiết bị bán dẫn và điện trở carbon so với đèn điện tử, nhưng không gây tác động nghiêm trọng đến mạch thông tin, vì nó giảm khi tần số tăng cao và chỉ ảnh hưởng đến vùng tần số dưới 1kHz Nhiễu này ảnh hưởng đến nguồn kiểm tra và cài đặt trong hệ thống âm thanh.
Phổ tần số
Việc phân loại phổ tần số ra nhiều dải tần để nâng cao hiệu quả sử dụng ở máy thu:
Dải tần Vi ba (Microwave) có tần số từ 1GHZ đến 40GHZ được chia làm nhiều dải nhỏ:
S Band (2 - 4) GHz С Вand (4 - 8) GHz : Х Вand (8 - 12) GHz
Các mô hình hệ thống thông tin
Mô hình đơn công (simplex)
Trong chế độ truyền đơn công, giao tiếp chỉ diễn ra theo một hướng, với bên gửi chỉ có khả năng gửi dữ liệu, trong khi bên nhận chỉ có thể nhận mà không thể phản hồi.
Truyền đơn công giống như một con đường một chiều, nơi các phương tiện chỉ được phép di chuyển theo một hướng nhất định, không cho phép bất kỳ phương tiện nào đi từ hướng ngược lại.
Mối quan hệ giữa bàn phím và màn hình là một ví dụ điển hình, trong đó bàn phím chỉ có khả năng gửi đầu vào đến màn hình, trong khi màn hình chỉ nhận đầu vào và hiển thị nội dung Điều đặc biệt là màn hình không thể phản hồi hay gửi thông tin trở lại bàn phím.
- Phát thanh quảng bá AM, FM
- Đo xa, điều khiển xa
Mô hình song công (full duplex)
Trong chế độ truyền song công toàn phần, bên gửi và bên nhận có khả năng giao tiếp đồng thời, cho phép truyền và nhận tín hiệu cùng lúc Chế độ này tương tự như một con đường hai chiều, nơi các phương tiện có thể di chuyển theo cả hai hướng một cách đồng thời.
Ví dụ, trong một cuộc trò chuyện qua điện thoại, hai người giao tiếp và cả hai có thể tự do nói và nghe cùng một lúc
- Điện thoại vô tuyến di động hoặc cố định
- Điện thoại di động tế bào
- Thông tin của các trạm mặt đất thông qua vệ tinh
- Thông tin hàng không, thông tin vi ba số
- Thông tin số liệu giữa các máy vi tính
Mô hình bán song công (half-duplex)
Trong truyền dẫn bán song công, giao tiếp giữa bên gửi và bên nhận diễn ra theo cả hai hướng, nhưng chỉ cho phép một hướng tại một thời điểm Cả hai bên có khả năng gửi và nhận thông tin, tuy nhiên chỉ một bên được phép gửi tại mỗi thời điểm cụ thể Hệ thống này tương tự như con đường một chiều, nơi phương tiện đi ngược chiều phải chờ cho đến khi đường thông thoáng mới có thể di chuyển.
Sự khác biệt chính giữa 3 chế độ truyền
Trong chế độ truyền tín hiệu, có ba loại chính: chế độ đơn công, chế độ bán song công và chế độ song công toàn phần Chế độ đơn công cho phép tín hiệu chỉ được gửi theo một hướng Chế độ bán song công cho phép tín hiệu di chuyển theo cả hai hướng, nhưng chỉ một hướng tại một thời điểm Cuối cùng, chế độ song công toàn phần cho phép tín hiệu được gửi đồng thời theo cả hai hướng.
Trong chế độ truyền tín hiệu, có ba loại chính: chế độ đơn công, chế độ bán song công và chế độ song công toàn phần Chế độ đơn công cho phép chỉ một thiết bị truyền tín hiệu tại một thời điểm Chế độ bán song công cho phép cả hai thiết bị truyền tín hiệu, nhưng chỉ một thiết bị hoạt động vào một thời điểm Cuối cùng, chế độ song công toàn phần cho phép cả hai thiết bị truyền tín hiệu đồng thời, mang lại hiệu suất cao hơn trong việc trao đổi thông tin.
• Song công toàn phần tốt hơn bán song công và bán song công tốt hơn so với đơn công
• Đơn công: Bàn phím gửi lệnh đến màn hình Màn hình không thể trả lời bàn phím
• Bán song công: Sử dụng bộ đàm, cả hai bên có thể giao tiếp, nhưng phải thay phiên nhau
• Song công toàn phần: Sử dụng điện thoại, cả hai bên có thể giao tiếp cùng một lúc
Chế độ truyền song công toàn phần mang lại hiệu suất tối ưu nhất trong ba phương thức, nhờ vào việc tối đa hóa băng thông có sẵn.
Hệ thống thông tin vô tuyến
Hệ thống thông tin vô tuyến cố định
Hệ thống thông tin vô tuyến cố định là phương thức truyền tin sử dụng sóng vô tuyến, được lắp đặt tại một vị trí cố định Một ví dụ tiêu biểu của hệ thống này là hệ thống nhận diện tự động (AIS), cho phép tự động trao đổi dữ liệu với các tàu lân cận, trạm cố định và vệ tinh, trong đó hệ thống AIS nhận dạng vệ tinh được ký hiệu là S-AIS.
Trạm cố định, hay còn gọi là trạm gốc, là thiết bị chuyển tiếp thông tin đến và đi từ các thiết bị di động, tương tự như một chiếc điện thoại di động Nó thường được gọi là trang web di động và cho phép điện thoại di động hoạt động trong một khu vực địa phương, miễn là được kết nối với nhà cung cấp dịch vụ di động hoặc không dây.
Mạng viễn thông khai thác khí tượng là hệ thống các kênh truyền thông phục vụ cho dịch vụ cố định hàng không, chuyên dùng để trao đổi thông tin khí tượng giữa các đài cố định hàng không trong hệ thống.
Hệ thống thông tin vô tuyến di động
Hệ thống thông tin vô tuyến di động ra đời để khắc phục nhược điểm về dung lượng, tính lưu động và chất lượng dịch vụ của các hệ thống trước đó Nhờ vào việc sử dụng tần số tốt hơn và kỹ thuật microcell, dung lượng được tăng cường từ 2-3 lần Tiêu chuẩn GSM không chỉ hỗ trợ tính lưu động quốc tế mà còn cung cấp nhiều tính năng hữu ích như thông tin số liệu tốc độ cao, dịch vụ facimile, nhắn tin ngắn và đặc biệt là truy cập Internet thông qua công nghệ WAP Tại Việt Nam, hệ thống này đã bắt đầu phát triển từ năm
Năm 1993, công ty MobiFone (VMS) đã chính thức đưa công nghệ GSM vào khai thác, tiếp theo là mạng GSM thứ hai do công ty VINAPHONE ra mắt vào năm 1996 Hiện tại, cả hai hệ thống này đã phủ sóng rộng rãi trên toàn quốc với số lượng thuê bao đang tăng trưởng nhanh chóng Hệ thống thông tin vô tuyến di động bao gồm các dịch vụ nhắn tin, cho phép gửi những tin nhắn ngắn đến người dùng Tin nhắn có thể là văn bản, số hoặc giọng nói, và thường được sử dụng để thông báo cho người nhận về các cuộc gọi hoặc hướng dẫn thêm Trong các hệ thống nhắn tin hiện đại, người dùng có thể nhận các bản tin, trích dẫn và fax thông qua một số điện thoại truy cập miễn phí, với tin nhắn được phát ra gọi là page, được gửi đến từ các trạm gốc qua sóng vô tuyến.
Hệ thống điện thoại cordless là các hệ thống truyền thông song công hoàn toàn, sử dụng sóng vô tuyến để kết nối máy thu phát xách tay với trạm gốc chuyên dụng Trạm gốc này được kết nối đến đường dây điện thoại chuyên dụng và có thể sử dụng số điện thoại riêng trên mạng điện thoại chuyển mạch công cộng (PSTN) Các hệ thống điện thoại cordless thế hệ thứ nhất, được phát triển trong những năm 1980, chỉ cho phép đơn vị xách tay truyền thông tới một trạm gốc duy nhất.
Điện thoại cordless đời đầu chỉ có khả năng hoạt động trong khoảng cách vài chục mét và thường được sử dụng như điện thoại mở rộng, kết nối với một máy phát gắn liền với đường dây thuê bao PSTN, chủ yếu phục vụ cho nhu cầu sử dụng trong nhà.
Hệ thống điện thoại tế bào cung cấp kết nối không dây tới PSTN cho người dùng trong phạm vi sóng 12 vô tuyến, cho phép nhiều người sử dụng trên một vùng rộng lớn với tần số hạn chế Các hệ thống này mang lại dịch vụ chất lượng cao, tương đương với điện thoại dây đất Dung lượng lớn đạt được nhờ giới hạn mức độ phủ sóng của mỗi trạm gốc trong một vùng nhỏ gọi là cell, cho phép tái sử dụng các kênh sóng vô tuyến Kỹ thuật chuyển giao (handoff) giúp duy trì cuộc gọi liên tục khi người dùng di chuyển giữa các cell khác nhau.
Hệ thống thông tin vệ tinh
Nguyên lý của hệ thống thông tin vệ tinh:
Vệ tinh thông tin là một loại vệ tinh có khả năng thu phát sóng vô tuyến điện, được phóng vào vũ trụ để phục vụ cho thông tin vệ tinh Chức năng chính của loại vệ tinh này là khuếch đại sóng vô tuyến điện nhận từ các trạm mặt đất và phát lại chúng đến các trạm mặt đất khác, góp phần quan trọng trong việc truyền tải thông tin.
Cấu hình khái quát của một hệ thống thông tin vệ tinh:
− Một vệ tinh địa tĩnh (trên quỹ đạo)
− Các trạm mặt đất (các trạm này có thể truy cập đến vệ tinh)
− Đường hướng từ trạm mặt đất phát đến vệ tinh được gọi là đường lên
− Đường vệ tinh đến trạm mặt đất gọi là đường xuống
Các đặc điểm của hệ thống thông tin vệ tinh: − Về đại thể các hình thức thông tin có thể được phân ra các loại như:
Thông tin hữu tuyến điện bao gồm cáp đồng trục và cáp quang, trong khi thông tin vô tuyến điện sử dụng sóng vô tuyến để kết nối nhiều địa điểm trên toàn cầu, vượt qua rào cản về thời gian và không gian với các công nghệ như sóng ngắn, vi ba và vệ tinh Thông tin vệ tinh mang lại nhiều ưu điểm vượt trội, bao gồm khả năng truyền tải dữ liệu nhanh chóng và hiệu quả, cũng như khả năng kết nối ở những khu vực xa xôi và khó tiếp cận.
+ Có khả năng đa truy nhập
+ Ổn định cao, chất lượng và khả năng về thông tin băng rộng
+ Có thể ứng dụng tốt cho thông tin di động
+ Hiệu quả kinh tế cao cho thông tin đường dài, xuyên lục địa.
Khái quát hệ thống thông tin hàng không
Phân loại các hệ thống TTHK
Phân loại theo tính chất kỹ thuật: a Hệ thống thông tin sử dụng kỹ thuật tương tự (Analog)
- SELCAL system (Selective Calling radio)
- Direct Speech b Hệ thống thông tin sử dụng kỹ thuật số (Digital)
- SSR mode S air-ground data link
- VHF air-ground data link (VDL)
Phân loại theo dịch vụ:
- Dịch vụ di động hàng không (AMS – Aeronautical Mobile
Services) : là dịch vụ thông tin viễn thông được cung cấp chủ yếu giữa tàu bay và các trạm trên mặt đất hoặc giữa các tàu bay
- Dịch vụ cố định hàng không (AFS – Aeronautical Fixed
Dịch vụ thông tin viễn thông (Services) chủ yếu được cung cấp giữa các điểm cố định trên mặt đất, nhằm đảm bảo an toàn cho hoạt động bay Dịch vụ này không chỉ giúp hoạt động hàng không trở nên kinh tế và hiệu quả, mà còn tuân thủ các quy tắc hiện hành.
Phân loại theo chức năng:
Hệ thống thông tin cho dịch vụ không lưu (ATSC - Air Traffic Service Communications) cung cấp thông tin quan trọng liên quan đến kiểm soát không lưu, tình hình khí tượng và hàng không, báo cáo vị trí, cũng như các dịch vụ đảm bảo an toàn và quy tắc bay.
Hệ thống thông tin quản trị hàng không (AAC - Aeronautical Administrative Communications) là công cụ thiết yếu cho các hãng và đại lý hàng không, phục vụ cho hoạt động thương mại của chuyến bay và dịch vụ vận chuyển Hệ thống này không chỉ hỗ trợ trong việc đặt vé và sắp xếp tổ bay, tàu bay mà còn phục vụ cho các mục đích vận chuyển mặt đất, góp phần duy trì và nâng cao hiệu quả hoạt động bay.
Hệ thống thông tin AOC (Aeronautical Operational Control) đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát hoạt động hàng không, đảm bảo an toàn cho các chuyến bay bằng cách theo dõi hành trình bay từ lúc khởi hành cho đến khi hạ cánh.
- d.Hệ thống thông tin dùng cho dịch vụ phục vụ hành khách
APC (Aeronautical Passenger Communication) đề cập đến các dịch vụ truyền tải dữ liệu và thoại có độ an toàn thấp, liên quan đến thông tin cá nhân của hành khách và tổ lái Dịch vụ này có thể được phân loại theo tính chất của thông tin được truyền tải.
- Hệ thống thông tin sử dụng thông tin liên lạc liên quan đến an toàn yêu cầu có sự phúc đáp nhanh và tính trọn vẹn cao
- Hệ thống thông tin liên lạc không liên quan đến an toàn 3 Các khái niệm cơ bản về hệ thống TTHK.
Các dịch vụ (Services)
- Dịch vụ phát thanh hàng không (Aeronautical Broadcasting
Service) : Một dịch vụ phát thanh dùng để phát các thông tin liên quan đến dịch vụ bảo đảm hoạt động bay
- Dịch vụ viễn thông hàng không (Aeronautical
Telecommunication Service) : Một dịch vụ viễn thông hàng không được cung cấp cho bất kỳ mục đích hàng không nào
Dịch vụ dẫn đường vô tuyến hàng không (Aeronautical Radio Navigation Service) là một dịch vụ quan trọng, cung cấp sự hỗ trợ cho việc điều hướng và đảm bảo an toàn cho các tàu bay.
Dịch vụ viễn thông quốc tế là một loại dịch vụ cho phép liên lạc giữa các văn phòng hoặc trạm của các quốc gia khác nhau, bao gồm cả các trạm di động không thuộc cùng một quốc gia Dịch vụ này hỗ trợ kết nối giữa các cá nhân và tổ chức khác nhau trên toàn cầu, tạo điều kiện thuận lợi cho việc trao đổi thông tin và hợp tác quốc tế.
Các trạm (Stations)
Trạm vô tuyến kiểm soát sân bay (Aerodrome Control Radio Station) là một hệ thống cung cấp thông tin vô tuyến giữa đài kiểm soát sân bay và các tàu bay hoặc các trạm thông tin di động, nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả trong hoạt động hàng không.
- Trạm cố định hàng không (Aeronautical Fixed Station) : Một trạm trong dịch vụ cố định hàng không
- Trạm thông tin viễn thông hàng không (Aeronautical
Telecommunication Station) : Một trạm trong dịch vụ thông tin viễn thông hàng không
Trạm vô tuyến kiểm soát không địa (Air-ground control radio Station) là một hệ thống thông tin viễn thông hàng không, đảm nhiệm vai trò quan trọng trong việc truyền tải thông tin liên quan đến hoạt động và kiểm soát tàu bay trong một khu vực nhất định.
Các phương pháp thông tin (Communication Methods)
- Thông tin không địa (Air ground communication) : thông tin hai chiều giữa tàu bay và các trạm hay các vị trí đặt trên mặt đất
- Thông tin không đối đất (Air-to-ground communication) : thông tin một chiều giữa tàu bay và các trạm hay các vị trí đặt trên mặt đất
- Thông tin đất đối không (Ground-to-air communication) : thông tin một chiều giữa các trạm hay các vị trí đặt trên mặt đất và tàu bay
- Phát thanh (Broadcast) : Một sự truyền thông tin liên quan đến dịch vụ không vận mà không cần địa chỉ hóa đối với các trạm được mô tả
Thông tin viễn thông là quá trình truyền, phát xạ và thu nhận các tín hiệu, dấu hiệu, văn bản, hình ảnh, âm thanh hoặc tin tức từ nhiều nguồn khác nhau Quá trình này có thể diễn ra qua các phương tiện như dây dẫn, sóng vô tuyến, cáp quang hoặc bất kỳ hệ thống trường điện từ nào khác.
- Song công (Duplex) : Một phương pháp mà thông tin viễn thông giữa hai trạm có thể được nhận một cách đồng thời từ cả hai hướng
- Đơn công (Simplex) : Một phương pháp mà thông tin viễn thông giữa hai trạm có thể được nhận tại một thời điểm chỉ từ một hướng
MẠCH LỌC
Khái niệm
Mạch lọc tần số là thiết bị chọn lọc tín hiệu trong một hoặc nhiều khoảng tần số nhất định, trong khi loại trừ các tín hiệu ở tần số khác Hiện nay, các bộ lọc điện được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống viễn thông và truyền dẫn dữ liệu.
Bộ lọc được dùng để lọc nhiễu, chia tách kênh trong các hệ thống ghép kênh, lựa chọn dải thông, lọc bỏ các hài không cần thiết
Nếu phân chia theo dải tần số thì có các loại mạch lọc sau:
Mạch lọc tần số lý tưởng được mô tả qua hệ số truyền đạt điện áp, với K = 1 trong dải thông và K = 0 ngoài dải thông Điều này có nghĩa là mạch lọc lý tưởng không làm suy giảm tín hiệu trong dải thông và hoàn toàn triệt tiêu tín hiệu ngoài dải thông Hơn nữa, mạch này có vùng chuyển tiếp thẳng đứng và không gây ra hiện tượng di pha tín hiệu.
Với các bộ lọc lý tưởng ta có các dạng đặc tuyến như sau:
Mạch lọc thông thấp cho phép tín hiệu tần số từ 0 đến fC đi qua, trong khi chặn tất cả các tần số từ fC trở lên Tần số fC được gọi là tần số cắt của mạch.
Mạch lọc thông cao chặn tất cả các tần số từ 0 tới fC và cho qua tất cả các tần số từ tần số cắt fC trở đi
Mạch lọc thông dải cho phép tín hiệu với tần số nằm trong khoảng từ f1 đến f2 đi qua, đồng thời chặn tất cả các tần số nằm ngoài dải này Độ rộng của dải tần số được xác định bằng công thức B = f1 – f2, trong khi tần số trung tâm được tính bằng f0 = √(f1 * f2).
Mạch lọc chặn dải cho phép các tần số nằm ngoài khoảng (f1 – f2) đi qua, trong khi chặn tất cả các tần số nằm trong khoảng này Độ rộng của dải chặn được xác định bằng công thức B = f1 – f2.
Mạch lọc pha không có dải chặn, nó cho qua tất cả các tần số nhưng giữa đầu vào và đầu ra có sự dịch pha.
Hàm truyền-Biểu đồ Bode
Trong phần "Lý thuyết tín hiệu", chúng ta đã tìm hiểu về các khái niệm như hàm truyền lý tưởng, điểm cực và điểm không Trong chương này, chúng ta sẽ tập trung vào nghiên cứu các mạch lọc với hàm truyền có đáp ứng phẳng tối đa, được gọi là hàm Butterworth Các hàm Bessel và Tschebyscheff có thể được tham khảo trong các tài liệu khác.
Một hàm truyền bất kỳ có thể được biểu diễn dưới dạng tổng quát:
Với: k - hệ số phụ thuộc vào cấu tạo của mạch
𝐴 𝑖 = const; 𝐵 𝑘 = const cũng phụ thuộc vào cấu tạo của mạch
Hàm truyền thường gặp có dạng :
𝐴 0 = 1 : đa thức bậc không với : 𝐴 1 = 𝐴 2 =…=𝐴 𝑚 = 0 Đáp ứng biên độ chuẩn hóa :
√1+ 𝐵 2𝑛 𝜔 2𝑛 (1.5) Đây là hàm có đáp tuyến phẳng tối đa hay còn gọi là hàm Butterworth
Chúng ta sẽ tìm hiểu biểu đồ Bode của hàm truyền H(𝜔 𝑛), điều này có nghĩa là tuyến tính hóa đáp tuyến trong hệ tọa độ logarit Đáp tuyến sẽ được biểu diễn gần đúng bằng các đường tiệm cận và đường trung bình, như minh họa trong hình 2.2.1.
Hình 2.2.1: Biểu đồ Bode của hàm truyền
N càng tăng càng gần đến đáp tuyến lý tưởng của bộ lọc
Bảng các hàm Butterworth đã chuẩn hóa :
Mạch lọc thụ động (LPF,HPF,BPF,BRF)
2.3.1 Bộ lọc thông thấp (LTT)
Hình 2.3.1.1: Bộ lọc thông thấp a) Sơ đồ mạch; b) Đáp tuyến biên độ; c) Đáp tuyến pha
Nếu tín hiệu vào là tín hiệu điều hòa ta có :
H(S) H(jω) : đáp ứng tần số của mạch
H(jω) = | H(jω) | : đáp ứng biên độ - tần số Φ(jω) = ArgH(jω) : đáp ứng pha – tần số
* Từ (1.8) ta có đáp ứng tần số của mạch hình 1.2
+ Đáp ứng pha (H 2.3.1c) : φ = ArgH(jω) = -arctg(ωCR) (1.11) ω → 0 φ → 0 ω → ∞ φ → - 90°
Hình 2.3.2.1: Bộ lọc thông cao a) Sơ đồ mạch b) Đáp tuyến biên độ c) Đáp tuyến pha
Với S = RCS :toán tử chuẩn hóa
* Nếu tín hiệu vào là tín hiệu điều hòa , tương tư như trên ta có : Đáp ứng tần số mạch :
1+ 𝑗𝜔𝐶𝑅 1 (1.13) Đáp ứng biên độ của mạch hình 2.3.2b :
(1.13) Đáp ứng pha của mạch : φ = ArgH(jω) = arctg(ωCR) (1.15)
Hình 2.3.2.2 Đối chiếu LTT và LTC
Từ bộ lọc thông thấp và bộ lọc thông cao ta có nhận xét:
1.Từ bộ LTT ta muốn có bộ LTC chỉ việc đổi biến s -> 1/S
2.Trên mặt phăng phức diễn ra sự biến đổi đối xứng gương qua tần số cắt (H.2.3.3)
3.Về phương diện mạch điện, sự biến đổi được thực hiện bằng việc hoán vị R và C
Nhược điểm của các bộ lọc thụ động RC: chịu ảnh hưởng lớn của tải
2.3.3 Bộ lọc thông thấp bậc 2
Hình 2.3.3.1: Bô lọc thông thấp bậc 2 a) Sơ đồ mạch LTT bậc 2; b,c) Biểu diễn điểm cực 𝑝 1 , 𝑝 2 d) Đáp tuyến biên độ; e) Đáp tuyến pha
Từ hình 2.3.4a ,ta có hàm truyền :
Với : 𝜔 0 = 1/LC – tần số cắt của mạch α = R/2L – hệ số đặc trưng cho tổn hao của mạch
Ta có thể viết lại (1.16) dưới dạng hàm có hai điểm cực:
Ta có hàm chuẩn hóa :
* Nếu tín hiệu vào là tín hiệu điều hòa ta có :
* Đáp ứng biên độ của mạch :
Ta nhận thấy bộ lọc thông thấp bậc 2 có độ dốc tăng gấp đôi H(dB) = 401g𝜔 𝑛 do số cực tăng gấp đôi
* Đáp ứng pha của mạch : φ = ArgH(j𝜔 𝑛 ) = -Arctg 2η𝜔 𝑛
Hình 2.3.3.2: Biểu diễn cực 𝑝 1 , 𝑝 2 của bộ lọc cộng hưởng
2.3.4 Bộ lọc thông dải –Bộ lọc cộng hưởng (14) vẫn mạch RLC như hình 1.5a, nhưng nếu ta xét trường hợp tổn hao của mạch rất nhỏ (a 50MHz), mạch cộng hưởng song song có hệ số chất lượng (Q) thấp, dẫn đến dải thông rộng Nếu loại bỏ tụ điện 𝐶 ′ và giả định rằng điện trở 𝑟 𝑖, 𝑅 𝑃 và 𝑅 𝑏 là vô hạn, hệ số chất lượng 𝑄 𝑖 có thể được xấp xỉ bằng công thức: 𝑄 𝑖 ≈ 𝜔 𝑜 𝑟 𝑏 ′ 𝑒 𝐶 𝑏′.
51 qua điện dung Miller thì 𝐶 𝑏′ ≈ 𝐶 𝑏′𝑒 và 𝑄 𝑖 ≈ 𝜔 𝑜
Khi 𝜔 𝛽 < 1, việc tăng Q của mạch có thể thực hiện bằng cách thêm 𝐶 ′, điều này dẫn đến việc gia tăng điện dung trong mạch nhưng cũng làm giảm điện cảm song song cần thiết Ở tần số rất cao, mạch cộng hưởng nối tiếp có thể được sử dụng để đạt được Q cao với giá trị điện cảm hợp lý Kỹ thuật này sẽ được minh họa qua ví dụ sau đây.
*Ví dụ: Bộ khuếch đại có băng thông 3dB là 2 MHz và tần số cộng hưởng 100 MHz (𝑄 𝑐 = 10 8
2.10 6 = 50) Transistor có các thông số 𝑟 𝑏 ′ 𝑒 = 50 ,
𝑔 𝑚 = 0,1 −1 , 𝐶 𝑏′𝑒 = 10𝑝𝐹, 𝐶 𝑏′𝑐 = 1𝑝𝐹 Mạch ngõ vào gồm có các điện trở 50 (𝑟 𝑖 = 50) mắc song song với tụ 𝐶 ′ = 4pF Tải 𝑅 𝐿 = 50 a Mô tả hoạt động của mạch b Tìm 𝐿 ′ , 𝐿 𝑃 , 𝐿 𝐶 , 𝐶 𝑐 và tỷ số vòng dây
Mạch khuếch đại này được thiết kế để Q của nó được xác định bởi mạch cộng hưởng nối tiếp, với mạch RLC song song ở ngõ vào và mạch base có Q thấp.
𝑅 ′ 𝑖 = 𝑟 𝑖 //điện trở song song hiệu dụng của 𝐿 ′ (𝑅 ′ 𝑃 )
𝑅 ′ 𝑏 = 𝑅 𝑏 //𝑟 𝑏 ′ 𝑒 //điện trở song song hiệu dụng của 𝐿 𝑃 (𝑅 𝑃 )
Hệ số phẩm chất của mạch Q có thể tìm được từ mạch sau:
Giả sử Q của mạch base và của mạch vào đủ nhỏ để:
Q của mạch tương đương với Q của mạch cộng hưởng nối tiếp:
𝑅 𝑏′ + 𝑟 𝑐 + 𝑎 2 𝑅′ 𝑖 b Thiết kế mạch: Bắt đầu tìm 𝐿 ′ và 𝐿 𝑏
Từ công thức tính tần số cộng hưởng, ta suy ra:
𝑄 ′ = 100 tại tần số 100 MHz có thể dễ dàng đạt được Giả sử rằng biến áp có 𝑄 ′ này, ta tìm 𝑅′ 𝑃
Vì 𝑟 𝑖 = 50 ⟶ 𝑅 ′ 𝑖 = 𝑟 𝑖 //𝑅 ′ 𝑃 ≈ 50Ω Ở mạch base, để cộng hưởng với
𝐶 𝑏′ = 16𝑝𝐹 yêu cầu 𝐿 𝑏 ≈ 0,17𝜇𝐻 Giả sử rằng 𝑄 𝑏 = 100
Và vì 𝑟 𝑏 ′ 𝑒 = 50 ⟶ 𝑅 𝑏 ′ = 𝑅 𝑃 //𝑅 𝑏 //𝑟 𝑏 ′ 𝑒 ≈ 50Ω (giả sử rằng 𝑅 𝑏 ≫
Chú ý rằng Q của mạch là:
Q của mạch vào và mạch nền phải nhỏ hơn nhiều so với Q cần thiết là 50
Do đó trên dãy thông 100 ± 1MHz ta giả định được mạch như hình sau: Để có 𝑄 𝑐 = 50 ở tần số 100 MHz ta có:
Chú ý rằng hệ số phẩm chất của cuộn cảm 𝐿 𝑐 là 𝜔 𝑜 𝐿 𝑐 /𝑟 𝑐 phải lớn hơn 50 trên toàn bộ mạch 𝑄 𝑐 tương đương 50 Cuộn cảm 𝐿 𝑐 có Q = 250 ở 100 MHz
Ta giả sử thiết kế 𝐿 𝑐 có Q như trên, do đó:
4𝜋 2 𝑓 𝑜 2 𝐿 𝑐 ≈ 0,45𝑝𝐹 Mạch điều hợp được dễ dàng có thể dùng biến dung thay cho 𝐶 𝑐
Dao động Colpitts
Xét mạch dao động Colpitts mắc CB như hình vẽ
Hình 3.5.1: Mạch dao động Colpitt
Các thông số của mạch được xác định: 𝑅 1,2 ≫ ℎ 𝑖𝑒
Dao động Hartley
Hình 3.16: Sơ đồ mạch tạo dao động Hartley mắc E chung
Hình 3.17: Sơ đồ mạch tạo dao động Hartley mắc B chung
Thỏa mãn điều kiện về cân bằng pha Điều kiện cân bằng biên độ: (Tính cho mạch Hartley E chung)
P: Hệ số ghép giữa transistor và mạch
(Điều kiện 𝐿 1 và 𝐿 2 ghép lỏng)
Thực hiện tương tự như các mạch trước ta tìm được bất phương trình:
Dao động thạch anh
Mạch tương đương của thạch anh bao gồm nhiều nhánh với tần số cộng hưởng nối tiếp gần bằng số lẻ của tần số cơ bản (𝑓𝑠, 𝑓𝑝), được gọi là tần số overtones Trong một khoảng tần số nhỏ xung quanh tần số cộng hưởng, mạch điện tương đương có thể được mô tả bằng một sơ đồ đơn giản.
Hình 3.7.1: Mạch tương đương của thạch anh
Điện trở 𝑟 𝑇 có giá trị lớn, dao động từ 10^5 đến 10^6, và phụ thuộc vào kích cỡ cũng như chiều cắt của thạch anh Các giá trị 𝐿 𝑇 và 𝐶 𝑇 cũng chịu ảnh hưởng từ các yếu tố này Điện trở 𝑟 𝑇 đặc trưng cho tổn hao trong mạch thạch anh, chủ yếu do điện cực, cấu trúc ráp và điện trở dây nối ra Giá trị 𝐿 𝑇 nằm trong khoảng từ 16 đến 6000 mH.
Tần số (MHz) Mode cơ bản 𝒓 𝑻 (𝛀) 𝑪 𝑻 (𝒑𝑭) 𝑪 𝒐 (𝒑𝑭)
Bảng 3.7.1: Thông số thạch anh của JAN Crystals
Trở kháng tương đương của thạch anh: 𝑍 𝑇𝐴 = (𝑟 𝑇 +𝑗𝜔𝐿 𝑇 +
Hình 3.7.2: Đặc tính điện kháng của thạch anh
Tần số cộng hưởng nối tiếp: 𝜔 𝑆 2 𝐿 𝑇 𝐶 𝑇 − 1 = 0 suy ra:
√𝐿 𝑇 𝐶 𝑇 Tần số cộng hưởng song song: 𝐶 𝑇 + 𝐶 𝑜 − 𝜔 𝑃 2 𝐿 𝑇 𝐶 𝑇 𝐶 𝑜 = 0 suy ra:
Trong khoảng 𝜔 𝑆 đến 𝜔 𝑃 , thạch anh có cảm tính kháng, dùng trong mạch dao động thạch anh kiểu song song
Tại 𝜔 𝑆 thạch anh coi như thuần trở rất nhỏ 𝑟 𝑇 , dùng trong mạch dao động thạch anh kiểu nối tiếp Ta có tỷ số: Giá trị K nằm giữa 250 và 400
CÁC KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ
Kỹ thuật điều chế và giải điều chế tương tự
Điều chế là quá trình thay đổi một trong các thông số sóng mang cao tần, bao gồm biên độ, tần số hoặc pha, theo tỷ lệ với tín hiệu điều chế băng gốc (BB - base band).
1 Tần số sóng mang cao tần fC (8 10)Fmax, trong đó Fmax - tần số cực đại tín hiệu điều chế BB
2 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
3 Biên độ sóng mang cao tần (biên độ tín hiệu điều chế BB)
4 Trong điều chế xung – số, tần số lấy mẫu (Fmax – tần số cực đại tín hiệu băng gốc)
➢ Các phương pháp điều chế tương tự: AM, FM, PM, SSB, DSB
➢ Các phương pháp điều chế số: ASK, FSK, PSK, QPSK, …
➢ Các phương pháp điều chế xung: PAM (Pulse Amplitude Modulation), PWM (Pulse, PPM)
➢ Chuyển đổi của tín hiệu từ tần số thấp lên tần số cao và biến đổi thành dạng sóng điện từ lan truyền trong không gian
➢ Cho phép sử dụng hữu hiệu kênh truyền
➢ Tạo ra các tín hiệu có khả năng chống nhiễu cao
➢ Điều chế tín hiệu được thực hiện ở bên phát
➢ Giải điều chế tín hiệu được thực hiện ở bên thu
Hệ thống 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)
Hình 4.2.1: Đường bao cao tần AM lặp lại dạng tín hiệu điều chế 𝑚(𝑡) = 𝑉 𝑚 𝑐𝑜𝑠 𝜔 𝑚 𝑡
4.2.1 Phương trình điều chế và hệ số điều chế
Tín hiệu sóng mang thường là tín hiệu sin có tần số cao
𝑥 𝐶 (𝑡) = 𝑉 𝐶 𝑐𝑜𝑠𝜔 𝐶 𝑡 Tín hiệu AM có dạng:
𝑦 𝐴𝑀 (𝑡) = [𝑉 𝐶 + 𝑚(𝑡)]𝑐𝑜𝑠𝜔 𝐶 𝑡 Xét trường hợp 𝑚(𝑡) là một tín hiệu sin đơn tần: 𝑚(𝑡) = 𝑉 𝑚 𝑐𝑜𝑠𝜔 𝑚 𝑡
𝑚 𝐴 : hệ số điều chế (chỉ số điều chế) Để điều chế không méo thì 𝑚 𝐴 1
Trong trường hợp 𝑚(𝑡) là tổng các tín hiệu sin đơn tần:
Trong trường hợp tổng quát: 𝑚 𝐴 = 𝑉 𝑚𝑎𝑥 − 𝑉 𝑚𝑖𝑛
4.2.2 Phổ của tín hiệu AM
Ta có: 𝑦 𝐴𝑀 (𝑡) = [𝑉 𝑐 + 𝑚(𝑡)] cos 𝜔 𝑐 𝑡 = 𝑉 𝑐 cos 𝜔 𝑐 𝑡 + 𝑚(𝑡) cos 𝜔 𝑐 𝑡
Xét trường hợp m(t) là một tín hiệu sin đơn tần: 𝑚(𝑡) = 𝑉 𝑚 𝑐𝑜𝑠𝜔 𝑚 𝑡
Hình 4.2.2.1: Phổ của tín hiệu AM với tín hiệu điều chế sin đơn tần
Hình 4.2.2.2: Tín hiệu điều chế phức hợp
4.2.3 Công suất của tín hiệu AM
Tín hiệu AM sau điều chế được cho qua điện trở Công suất rơi trên điện trở khi đó gọi là công suất chuẩn:
𝑃 𝐶_𝑆𝑡 công suất của sóng mang
𝑃 𝑚_𝑆𝑡 công suất của tín hiệu điều chế
Khi cho qua điện trở R Nếu tín hiệu là điện áp thì:
𝑅Nếu tín hiệu là dòng điện thì: 𝑃 𝐴𝑀 = 𝑃 𝐴𝑀_𝑆𝑡 𝑅
Hiệu suất điều chế: Bằng công suất có ích (công suất mang tin tức) chia cho công suất của toàn bộ tín hiệu AM
Ví dụ: Tín hiệu AM áp được điều chế bởi một tín hiệu sin đơn tần 𝑚(𝑡) 𝑉 𝑚 𝑐𝑜𝑠𝜔 𝑚 𝑡 Biết 𝑉 𝑚𝑎𝑥 = 50𝑉, 𝑉 𝑚𝑖𝑛 = 10𝑉 tính 𝑚 𝐴 ? 𝑉 𝑚 ? 𝑃 𝐴𝑀 trên tải R = 50? Hiệu suất điều chế
Nhận xét về điều chế biên độ AM:
- Dễ thực hiện và máy thu giải điều chế đơn giản, giá rẻ
- Công suất sóng mang không tải tin lớn, vô ích
- Băng thông lớn gấp đôi cần thiết nên phí và tăng nhiễu
- Hiệu quả sử dụng công suất cao tần rất nhỏ
4.2.4 Mạch điều chế AM a Điều chế AM dùng Diode
Hình 4.2.4.1: Mạch điều chế AM đơn giản dùng diode
Tín hiệu điều chế 𝑚(𝑡) và sóng mang 𝑥 𝐶 (𝑡) cùng được đặt vào hai đầu diode, do đó 𝑣 𝐷 = 𝑚(𝑡) + 𝑥 𝐶 (𝑡) tạo ra dòng 𝑖 𝐷
Dòng 𝑖 𝐷 gồm rất nhiều thành phần tần số Tuy nhiên, khung cộng hưởng
LC được thiết kế để cộng hưởng nên sau khi qua khung cộng hưởng chỉ còn lại:
𝑖 𝐷 = 𝑎 1 𝑥 𝐶 (𝑡) + 2𝑎 2 𝑚(𝑡)𝑥 𝐶 (𝑡) = [𝑎 1 + 2𝑎 2 𝑚(𝑡)]𝑥 𝐶 (𝑡): Đây chính là tín hiệu AM b Điều chế AM dùng transistor
Hình 4.2.4.2: Mạch điều chế AM dùng transistor
Tín hiệu tin tức m(t) được đưa vào mạch qua biến áp có tỷ số biến áp 1:1 nhằm cách ly với nguồn 𝑉 𝑐𝑐
Nguồn xung vuông 𝑣 𝑐 (𝑡) có tần số lớn hơn nhiều so với m(t) đóng vai trò sóng mang 𝑣 𝑐 (𝑡) làm cho transistor Q đóng ngắt bão hòa
Mạch cộng hưởng RLC đóng vai trò một mạch lọc thông dải Điện trở 𝑅 𝐶 dùng để phân cực cho transistor Q dẫn bão hòa
Hình 4.2.4.3: Dạng tín hiệu ra khi không có khung cộng hưởng
Khi không có mạch cộng hưởng RLC thì:
𝑣 𝑐 (𝑡) là một tín hiệu tuần hoàn nên được khai triển thành chuỗi Fourier như sau:
5𝜋 + ⋯ ] Mạch cộng hưởng RLC được thiết kế để cộng hưởng nên:
𝜋 : Đây chính là tín hiệu AM
4.2.5 Mạch giải điều chế a Tách sóng hình bao
Hình 4.2.5.1: Mạch tách sóng hình bao
Nguyên lý hoạt động của mạch như sau:
Tín hiệu AM vào làm thay đổi giá trị điện áp trên diode D Làm cho D tắt hoặc dẫn
Khi D dẫn: tụ được nạp bằng giá trị của 𝑣 𝐴𝑀 (𝑡)
Khi D tắt: tụ xả qua điện trở R
Kết quả là giá trị điện áp ở ngõ ra 𝑚′(𝑡) bám theo đường bao của tín hiệu
AM Đây chính là tín hiệu cần giải điều chế
Kết quả tách sóng hình bao phụ thuộc vào thời hằng ơ = RC Nếu ơ quá nhỏ, tụ xả nhanh gây ra hiện tượng nhấp nhô trên đường bao Ngược lại, nếu ơ quá lớn, tụ xả chậm không kịp theo sự suy giảm của tín hiệu AM đầu vào Cả hai trường hợp này đều dẫn đến méo dạng tín hiệu giải điều chế.
Hình 4.2.5.2: Tách sóng hình bao
Hình 4.2.5.3: Tách sóng hình bao trong hai trường hợp có và không có điều chế
Hình 4.2.5.4: Méo tín hiệu tách sóng hình bao Điều kiện tách sóng hình bao không méo đối với tín hiệu điều chế sin đơn tần có tần số 𝑓 𝑚 : 𝑚 𝐴 ≤ 𝑋 𝑐
𝑓 𝑚 : tần số tín hiệu điều chế
𝑚 𝐴 : hệ số điều chế b Tách sóng kết hợp
Tín hiệu AM được biểu diễn dưới dạng 𝑣 𝐴𝑀 (𝑡) = [𝑉 𝑐 + 𝑚(𝑡)] cos 𝜔 𝑐 𝑡, trong đó 𝑚(𝑡) = 𝑉 𝑚 cos 𝜔 𝑚 𝑡 là tín hiệu điều chế tần số thấp Để giải điều chế tín hiệu này, ta có thể nhân với sóng mang 𝑉 𝐿𝑂 (𝑡) = 𝑉 𝑜 cos (𝜔 𝑐 𝑡 + 𝜃 𝑜 ) và áp dụng bộ lọc thông thấp.
Hình 4.2.5.5: Sơ đồ khối tách sóng kết hợp
2 [𝑐𝑜𝑠𝜃 𝑜 + cos (2𝜔 𝑐 𝑡 + 𝜃 𝑜 ) Qua LPF còn thành phần tần số thấp ở ngõ ra:
2 𝑚(𝑡) Tín hiệu giải điều chế 𝑚 ′ (𝑡) tỷ lệ với 𝑚(𝑡).
Hệ thống điều chế dải biên (DSBSC, SSB, VSB)
Truyền dẫn sóng mang bị triệt tiêu băng tần kép (DSB-SC) là phương pháp truyền thông trong đó các tần số do điều chế biên độ (AM) tạo ra được phân bố đối xứng xung quanh tần số sóng mang Mục tiêu của kỹ thuật này là giảm mức sóng mang xuống mức thấp nhất có thể, lý tưởng là triệt tiêu hoàn 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 tăng lên so với AM khi sử dụng cùng một mức điện năng.
Truyền dẫn DSB-SC là một dạng truyền dẫn sóng mang giảm băng tần kép, đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống dữ liệu vô tuyến.
71 tuyến Chế độ này thường được sử dụng trong liên lạc bằng giọng nói vô tuyến nghiệp dư, đặc biệt là trên các dải tần số cao
4.3.1.1 Quang phổ của tín hiệu
DSB-SC là sóng điều chế biên độ không có sóng mang, giúp giảm lãng phí điện năng và đạt hiệu suất 50%, cao hơn so với truyền AM thông thường (DSB) chỉ có hiệu suất tối đa 33,333% Trong DSB, 2/3 công suất nằm trong sóng mang không truyền tải thông tin hữu ích, trong khi cả hai dải biên chứa các bản sao giống hệt nhau của cùng một thông tin Đặc biệt, sóng mang một bên bị triệt tiêu (SSB-SC) đạt hiệu quả 100%.
Hình 4.3.1.1.1: Biểu đồ phổ của tín hiệu DSB-SC
DSB-SC được hình thành thông qua một bộ trộn, trong đó tín hiệu tin nhắn được nhân với tín hiệu sóng mang Quá trình này có thể được biểu diễn toán học, sử dụng phép đồng nhất lượng giác tích-tổng để mô tả mối quan hệ giữa các tín hiệu.
Hình 4.3.1.2.1: Điều chế DSB-SC
4.3.1.3 Giải điều chế Đối với DSBSC, Giải điều chế mạch lạc được thực hiện bằng cách nhân tín 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 bộ lọc thông thấp để tạo ra phiên bản tỷ lệ của tín hiệu bản tin gốc
Hình 4.3.1.3.1: Giải điều chế DSB-SC
Phương trình cho thấy rằng việc nhân tín hiệu điều chế với tín hiệu sóng mang tạo ra một phiên bản tỷ lệ của tín hiệu gốc kèm theo một số hạng tần suất cao Với điều kiện 𝜔 𝑐 ≫ 𝜔 𝑚, số hạng tần suất cao này vượt trội hơn so với thông điệp ban đầu Khi tín hiệu này được lọc 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 Biến dạng và suy giảm
Để đảm bảo hiệu quả trong giải điều chế, tần số và pha của bộ dao động giải điều chế cần phải hoàn toàn khớp với tần số của bộ dao động điều chế Nếu không, hiện tượng biến dạng và suy hao có thể xảy ra Để quan sát rõ ràng hiệu ứng này, hãy thực hiện theo các điều kiện đã được thiết lập.
• Tín hiệu tin nhắn được truyền đi: f(t)
• Tín hiệu điều chế (sóng mang): 𝑉 𝑐 cos (𝜔 𝑐 𝑡)
• Tín hiệu giải điều chế (có tần số nhỏ và độ lệch pha so với tín hiệu điều chế): 𝑉′ 𝑐 cos [(𝜔 𝑐 + ∆𝜔)𝑡 + 𝜃]
Tín hiệu kết quả sau đó có thể được đưa ra bởi:
Các cos(∆𝜔 𝑡 + 𝜃) gây ra sự biến dạng và suy giảm tín hiệu bản tin gốc Đặc biệt, khi tần số chính xác nhưng pha không đúng, sẽ ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng tín hiệu.
𝜃 là yếu tố gây suy giảm liên tục, trong khi ∆𝜔 𝑡 biểu thị sự đảo ngược theo chu kỳ của tín hiệu phục hồi, dẫn đến méo tín hiệu nghiêm trọng.
Một tín hiệu thông báo có thể được điều chế lên sóng mang, bao gồm các thành phần hình sin với tần số tương ứng là 800 Hz và 1200 Hz, được thể hiện rõ ràng qua đồ thị.
Phương trình cho tín hiệu thông báo này là 𝑠(𝑡) = 1
Sóng mang, trong trường hợp này, là tần số 5 kHz (hình sin)
Điều chế tín hiệu sóng mang 5 kHz được thực hiện thông qua phép nhân trong miền thời gian, với biên độ thay đổi tương tự như tín hiệu bản tin.
Tên "sóng mang bị triệt tiêu" xuất phát từ việc thành phần tín hiệu sóng mang không xuất hiện trong tín hiệu đầu ra Điều này được minh chứng qua phổ tín hiệu đầu ra, trong đó có bốn đỉnh: hai đỉnh dưới 5000 Hz thuộc dải bên dưới (LSB) và hai đỉnh trên 5000 Hz thuộc dải bên trên (USB) Đặc biệt, không có đỉnh nào tại tần số 5000 Hz, nơi sóng mang bị triệt tiêu.
4.3.2 SSB Điều chế đơn biên (SSB - single side band): quá trình điều chế tạo một biên tần (biên trên hoặc biên dưới) của tín hiệu AM Việc thực hiện phức tạp hơn nhưng băng thông cao tần giảm một nửa, tiết kiệm băng tần giảm nhiễu Công suất phát thấp hơn nhiều so với AM ở cùng một khoảng cách thông tin vì không truyền công suất sóng mang lớn vô ích và chỉ có một biên Hiệu quả sử dụng công suất cao Tỷ số S/N máy thu SSB lớn hơn AM do nhiễu giảm
Để tạo ra tín hiệu SSB, phương pháp lọc cần loại bỏ sóng mang phụ của tín hiệu AM, giữ lại hai biên DSB Sau đó, sử dụng bộ lọc thông băng (BPF) để lấy một biên.
Phương pháp xoay pha 𝟗𝟎 𝒐 (pp2):
Hình 4.3.2.1: Sơ đồ khối phương pháp xoay pha 90 𝑜
Ngõ ra bộ điều chế cân bằng 1 có tín hiệu:
Bộ xoay pha 90 𝑜 biến đổi cos thành sin do đó ngõ ra bộ điều chế cân bằng 2 là:
2 [cos(𝜔 𝑐 − 𝜔 𝑚 ) 𝑡 − cos(𝜔 𝑐 + 𝜔 𝑚 ) 𝑡] Ngõ ra bộ cộng còn lại tín hiệu biên dưới SSB:
Phương pháp xoay pha sóng mang 𝟗𝟎 𝒐 hai lần (pp3):
Hình 4.3.2.2: Sơ đồ khối phương pháp xoay pha sóng mang
Tín hiệu ngõ ra bộ điều chế cân bằng 1:
Qua bộ lọc LPF1 còn lại thành phần: 𝑉 𝑚
2 sin(𝜔 𝑜 − 𝜔 𝑚 ) 𝑡 Tín hiệu ngõ ra bộ điều chế cân bằng 2:
Qua bộ lọc LPF2 còn lại thành phần: 𝑉 𝑚
2 cos(𝜔 𝑜 − 𝜔 𝑚 ) 𝑡 Tín hiệu ngõ ra bộ điều chế cân bằng 3:
4 [cos(𝜔 𝑐 − 𝜔 𝑜 + 𝜔 𝑚 ) 𝑡 − cos(𝜔 𝑐 + 𝜔 𝑜 − 𝜔 𝑚 ) 𝑡] Tín hiệu ngõ ra bộ điều chế cân bằng 4:
Hệ thống điều tần FM, điều pha PM
4.4.1 Điều tần FM Để đơn giản phân tích, cho 𝑚(𝑡) = 𝑉 𝑚 cos 𝜔 𝑚 𝑡 và pha ban đầu sóng mang 𝜃 𝑜 = 0 Tín hiệu FM có dạng như sau:
Phổ của tín hiệu điều tần:
Xét FM dải hẹp (NBFM : 𝑚 𝑓 < 0.25)
Nếu độ di tần nhỏ (𝑚 𝑓 < 0.25), ta có:
= 𝑉 𝑐 {[cos(𝑚 𝑓 sin 𝜔 𝑚 𝑡)] cos 𝜔 𝑐 𝑡 − [ sin(𝑚 𝑓 sin 𝜔 𝑚 𝑡)] sin 𝜔 𝑐 𝑡}
− 𝛿(𝜔 + 𝜔 𝑚 − 𝜔 𝑐 ) − 𝛿(𝜔 − 𝜔 𝑚 + 𝜔 𝑐 ) + 𝛿(𝜔 + 𝜔 𝑚 + 𝜔 𝑐 )]} Phổ tín hiệu FM dải hẹp gồm sóng mang và hai biên tương tự AM
Xét FM dải rộng (WBFM: wideband FM 𝑚 𝑓 > 0.25)
𝑦 𝐹𝑀 (𝑡) có thể khai triển theo các hệ số của hàm Bessel như sau:
Biên độ của chúng tỷ lệ với hàm Bessel loại một bậc n
Bảng 4.4.1.1: hệ số của hàm Bessel tương ứng với một số chỉ số điều chế 𝑚 𝑓
Phổ FM điều chế đơn âm 𝑓 𝑚 với các giá trị 𝑚 𝑓 khác nhau:
Băng thông của tín hiệu điều tần FM
Mặc dù lý thuyết cho rằng độ rộng băng thông của tín hiệu FM rất lớn, nhưng thực tế lại có quy định giới hạn băng thông FM đến thành phần phổ biên.
Băng thông này tính theo công thức:
𝐵 𝐹𝑀 ≈ 2(∆𝑓 + 𝑓 𝑚 ) với: 𝑓 𝑚 - tần số tín hiệu 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
Công suất của tín hiệu điều tần FM
Công suất cao tần tín hiệu điều tần không đổi tương đương với công suất sóng mang khi không có điều chế Đặt 𝑉 𝑐 là biên độ của sóng mang FM không điều chế trên tải R, từ đó có thể xác định công suất sóng mang.
2𝑅 = 𝑃 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 Công suất FM khi có điều chế:
FM dải hẹp (NBFM) dùng trong thông tin loại FM với độ di tần (515)KHz
FM dải rộng với khả năng chống nhiễu cao được sử dụng trong phát thanh FM Stereo, âm thanh TV, vi ba và truyền hình vệ tinh Độ di tần cực đại của FM trong phát thanh và âm thanh TV đạt tới ±75 KHz.
Biểu thức của tín hiệu điều pha: 𝑦 𝑃𝑀 (𝑡) = 𝑉 𝑐 cos (𝜔 𝑐 𝑡 + 𝑘 𝑝 𝑚(𝑡))
Xét trường hợp tín hiệu điều chế là sin đơn tần: 𝑚(𝑡) = 𝑉 𝑚 cos 𝜔 𝑚 𝑡
𝑦 𝑃𝑀 (𝑡) = 𝑉 𝑐 cos(𝜔 𝑐 𝑡 + 𝑘 𝑝 𝑉 𝑚 cos 𝜔 𝑚 𝑡) = 𝑉 𝑐 cos(𝜔 𝑐 𝑡 + 𝑚 𝑝 cos 𝜔 𝑚 𝑡) trong đó: 𝑚 𝑝 = 𝑘 𝑝 𝑉 𝑚 - hệ số điều chế
Biểu thức của tín hiệu điều tần FM tương tự như tín hiệu điều chế pha (PM), dẫn đến quá trình phân tích phổ, băng thông và công suất có nhiều điểm tương đồng Với một hệ số điều chế xác định, mối quan hệ giữa biên độ, phổ và công suất của PM và FM hoàn toàn giống nhau Tuy nhiên, sự khác biệt giữa phổ của PM và FM có thể được nhận diện khi tần số tín hiệu điều chế 𝑓 𝑚 được tăng hoặc giảm.
PM: 𝑚 𝑝 = 𝑘 𝑝 𝑉 𝑚 – không phụ thuộc vào 𝑓 𝑚
Băng thông của tín hiệu điều chế pha (PM) nhỏ hơn băng thông của điều chế tần số (FM) do PM không phụ thuộc vào tần số mang, dẫn đến nhiễu ít hơn và tỷ số tín hiệu trên nhiễu (S/N) cao hơn trong cùng điều kiện Mặc dù vậy, FM vẫn được sử dụng phổ biến trong phát thanh quảng bá nhờ vào lịch sử phát triển và sự đơn giản, chi phí thấp của máy thu FM so với máy thu PM Điều chế pha số (PSK), một dạng đặc biệt của điều chế pha PM, đã được áp dụng rộng rãi trong lĩnh vực thông tin số.
