Kỹ thuật điều chế _chương 4
Điều chế (tương tự) là đem tin tức dưới dạng một tín hiệu tần số thấp tác động vào tín hiệu cao tần điều hoà làm biến đổi một thông số nào đó (biên độ, tần số hoặc góc pha) của tín hiệu cao tần theo tin tức. Trong trường hợp này, tin tức được gọi là tín hiệu điều chế, dao động cao tần gọi là sóng mang, còn dao động cao tần mang tin tức gọi là dao động cao tần đã điều chế. Sóng được điều chế nhằm 2 mục đích:...
CHƯƠNG V: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ
(MODULATION)
Điều chế (tương tự) là đem tin tức dưới dạng một tín hiệu tần số thấp tác
động vào tín hiệu cao tần điều hoà làm biến đổi một thông số nào đó (biên độ, tần
số hoặc góc pha) của tín hiệu cao tần theo tin tức. Trong trường hợp này, tin tức
được gọi là tín hiệu điều chế, dao động cao tần gọi là sóng mang, còn dao động
cao tần mang tin tức gọi là dao động cao tần đã điều chế. Sóng được điều chế
nhằm 2 mục đích:
Sóng đã điều chế thỏa mãn điều kiện truyền của môi trường truyền
tin vì môi trường này không truyền được tín hiệu gốc. Sóng truyền được tin tức
(thông tin) gọi là sóng mang.
Tạo điều kiện ghép nhiều kênh truyền tin để truyền qua cùng một
môi trường.
Có nhiều kỹ thuật điều chế tùy thuộc vào bản chất của tín hiệu gốc và môi
trường truyền. Trong kỹ thuật phát hình, tín hiệu gốc là tín hiệu hình, môi trường
truyền trong không gian truyền được sóng điện từ. Vào những ngày đầu, kỹ thuật
điều biến biên độ sóng cao tần đã được áp dụng, vài mươi năm sau thì kỹ thuật
điều biến tần số được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật truyền (phát) thông tin, nhờ
nó có đặc tính chống nhiễu tốt.
Trong thời gian nghiên cứu hạn hẹp, người nghiên cứu xin trình bày về kỹ
thuật điều biến biên độ (AM: Amplitude Modulation) và điều biến tần số sóng cao
tần (FM: Frequency Modulation). Ngoài ra còn nói sơ về kỹ thuật điều pha (PM :
Phase Modulation).
I. KỸ THUẬT ĐIỀU BIẾN: (Amplitude Modulation)
1/. Định nghĩa:
Kỹ thuật điều biến biên độ là kỹ thuật thay đổi biên độ của sóng mang có
tần số cao, có khả năng phát xạ sóng điện từ theo biên độ của một tín hiệu gốc
mang nội dung tin tức cần được truyền trong không gian. Tín hiệu gốc tuy có nội
dung tin tức, nhưng không phát xạ sóng điện từ, sóng cao tần có thể phát xạ sóng
điện từ truyền trong không gian. Do vậy, biên độ sóng được biến thiên theo tín
hiệu gốc để truyền được tín hiệu gốc trong không gian.
Để tiếp cận với kỹ thuật này, ta xét trường hợp đơn giản là tín hiệu điều
biến điều hoà có biểu thức: em = Emcos(mt (m : modulation)
Với : em điện áp tức thời của tín hiệu điều biến tức là điện áp tín hiệu
gốc.
Em : biên độ cực đại tín hiệu điều biến.
(m : tần số gốc tín hiệu điều biến (rad/s).
và fm : tần số tín hiệu điều biến (Hz).
Sóng cao tần có thể truyền được torng không gian có biểu thức sau:
ec = Ecsinωc t
Với : + ec : điện áp tức thời của sóng mang là sóng cao tần để mang tin
+ Ec : biên độ cực đại sóng mang
+ (c : 2(fc : tần số gốc sóng cao tần
+ fc : tần số sóng mang
Khi sóng đã được điều biến biên độ thì :
e = Ec ( 1 + mcosωmt )sin ωc t
Với Em/Ec gọi là chỉ số điều biên hay hệ số điều chế hoặc là độ sâu điều
chế.
Khi sử dụng kỹ thuật điều biên cần phải lưu ý là biên độ gốc Em phải nhỏ
hơn biên độ sóng mang Ec. Như vậy:
Em
m= ≤1
Ec
Nếu m > 1 thì mạch có hiện tượng quá điều chế và tín hiệu bị méo trầm
trọng. Thực tế thì:
Mmax = 0,7 ( 0,9 là được để đảm bảo việc thu tín hiệu không bị méo.
Ta xác định m trong thực tế bằng cách đo các giá trị Vmax, Vmin,
và áp dụng công thức:
(V max − V min )
2 V max − V min
m = =
(V max + V min ) V max + V min
2
Khi m = 1, ta có: Vmax = 2Vc; Vmin = 0
VAM VAM
Vmax
Vmin
0 0
2/. Phổ tần và ≤ 1 rộng dải tần:
m bề m>1
Theo như trên, ta có:
e = Ec ( 1 + mCosωmt )Sin ωc t
e = Ec Sin ωc t + m Ec Cosωmt + sin ωc t
e = Ec sin ωc t +
E c Sin (ω :c gọiω msóng biên trên và có tần số )t
+ là )t + E c Sin (ω c − ω m là:
m m
Và: * m
E c sin(ωc2+ ωm )t 2
2 ωm + ωc hay: fc + fm (Hz)
* m : gọi là sóng biên dưới, có tần số là:
E c sin (ω c − ω m )t
2 ωm - ωc (rad/s) hay fc - fm (Hz)
* Ec sin (c t là sóng mang, có tần số là (c (rad/s) hay fc (Hz)
Phổ sóng điều biên được vẽ như sau:
EC EC
1/2mEc 1/2mEc 1/2mEc 1/2mEc
ωC -ωm ωC + ωm fC -fm fC + fm
Bωm = 2ωm (rad/s) Bωm = 2fm (rad/s)
Hai sóng biên nằm ở cả hai bên sóng mang, độ rộng dải tần bằng hiệu số
của tần số cao nhất là fc + fm với tần số thấp nhất là fc - fm.
BW = (fc + fm) - (fc - fm) = 2fm
3. Sự phân bố công suất trong sóng đã điều biến:
Hình vẽ phổ sóng đã điều biến bởi tín hiệu đơn tần em = EmCos(m t cho
thấy sự phân bố điện áp trong sóng. Điều này cho ta thấy được công suất được
phân phối (phân hgố theo tỉ lệ với bình phương của các giá trị điện áp là:Ġ , Ec và
Ġ.
Công suất sóng mang được tính bằng công thức:
E 2
c P c
=
Công suất mỗi sóng biên bằng: 2 R
2
⎡m ⎤
⎢ 2 Ec ⎥
⎣ ⎦ m 2Ec
2
m2 E2 m2
P1 SB = = = × c = Pc
2R 8R 4 2R 4
Công suất của sóng đã điều biến bằng:
m2 m2 ⎛ m2 ⎞
Pt = Pc + Pc + Pc = Pc ⎜1 + ⎟
4 4 ⎜ 2 ⎟
⎝ ⎠
Như vậy công suất được phân bố thành các phần là:
ĉ vớiĠ
Ec
2
Pc =
m2 2R m2
PSF = Pc PUSF = Pc
4 4
f
fc - fm fc fc +fm
Với PSf : tần số biên dưới : PSF = fc - fm
PUSf : tần số biên trên : PUSf = fc + fm
Ta thấy rằng công suất phân bố cho các tần số biên lệ thuộc vào hệ số điều
biên m.
4. Trường hợp tín hiệu điều biến là tín hiệu phức tạp:
Nếu tín hiệu điều chế (điều biến) là tín hiệu phức tạp gồm nhiều tần số
khác nhau, giả sử có nhiều thành phần, thấp nhất là fmin đến cao nhất fmax thì ta
có sóng đã điều biến là:
e
= Ec (1+ m1 cosωmint + m2 cosω2t + ... + mm cosωmaxt )sinωct
Vậy:
e m m2 m
= E c sin ωc t + E c sin (ωc + ωmin )t + E c sin (ωc − ωmin )t + ... + m E c (ω + ωmax )t +
2 2 2 sin
mm
E c sin (ωc − ωmax )t
2
Như vậy hệ số điều chế:
m t = m 1 + m 2 + .... + m 2
2
2 m
Và phổ sóng có dạng:
Ec
f (Hz)
fc - fmax fc fc +fmax
fc +fmin
fc -fmin
Bω = 2.fmin
B B B B
Công suất của sóng được phân bố như sau:
Công suất toàn sóng biên trên: m2 Pc
PUSBt = t
Công suất toàn sóng biên dưới: m 2 Pc
4t
P LSBt =
4
Công suất sóng mang:
E2
P= c
2
Công suất toàn sóng:
⎛ m 2 ⎞
Pt = Pc ⎜1 +
⎜
t
⎟
⎟
Lưu ý: độ rộng dải tần của sóng bằng: ⎝ 2 ⎠
BW = (fc + fmax) - (fc - fmax) = 2 fmax
fmax : tần số cao nhất trong dải tần tín hiệu điều biến.
5. Các kỹõ thuật truyền sóng điều biên:
Trước khi nghiên cứu các kỹ thuật truyền khác nhau, ta xét lại biểu thức
sóng mang đã điều biến:
e = Ec ( 1 + mCosωmt )sin ωc t
e= m m
E c Sin(ω c + ω m )t + Ec Sin(ω c − ω m )t
E c Sinω c t +
2 2
Sóng mang Ec Sin(ct không mang nội dung tin, cả hai sóng điều biên
mang cùng một nội dung tin tức và phụ thuộc vào m, (m.
a/. Kỹ thuật truyền sóng biên với trộn sóng mang gọi tắt là kỹ thuật DSBFC
(Double Side Band Carrier). Đây là kỹ thuật truyền tin cổ điển dùng sóng điều
biên. Kỹ thuật này có nhược điểm: lãng phí công suất phát sóng và dải tần, nhưng
lại có ưu điểm là kỹ thuật giản đơn, thiết bị phát và thu cũng đơn giản, đỡ tốn kém.
Kỹ thuật này được áp dụng trong kỹ thuật truyền thanh bằng sóng điều biên. Tiêu
chuẩn phát sóng lệ thuộc vào cơ quan quản lý phát sóng các nước. Sau đây là tiêu
chuẩn phát thanh sóng điều biên của cơ quan FCC (Feederal Communication
Commisssion), cơ quan liên bang quản lý việc phân phối sử dụng và phát sóng tại
Mỹ được nhiều nước áp dụng, do vậy được lấy ra làm ví dụ minh hoạ:
Dải tần quy định: từ (540 ( 1600) KHz, mỗi cấp tăng tần số là 10
KHz (dành cho chương trình đài địa phương).
Độ rộng dải tần phát sóng 10 KHz.
Độ ổn định tần số sóng mang (20Hz so với tần số quy định phát
sóng.
Hệ số điều biên từ : 0,85 ( 0,95.
Dải tín hiệu âm tần từ 100 Hz ( 5KHz, một KHz là tần số chuẩn ở
Ođêxjen.
Hệ số méo biên độ thấp hơn 0,05 cho hệ số điều biên tới 0,85, thấp
hơn 0,075 cho hệ số điều biên từ 0,85 ( 0,95.
Can nhiễu và tiếng ù ít nhất là 45dB khi hệ số điều biên bằng 1 (m
= 1) ở dải âm tần từ 30 Hz ( 20 KHz.
Công suất phát cực đại cho phép 50 KW (để phát đài địa phương
trên sóng trung bình từ 540 ( 1600Hz).
Ngoài ra còn có quy định phát chương trình quốc tế bằng sóng ngắn với
công suất phát có thể đến 500 KW.
b/. Kỹ thuật truyền đơn biên: gọi tắt là SSB (Single Side Band). Kỹ thuật này
được phân thành nhiều loại:
Kỹ thuật đơn biên triệt sóng ngang gọi tắt là kỹ thuật SSBSC (Single
Side Band Suppered Carrier), kỹ thuật này vẫn truyền được tin tức vì nội dung đầy
đủ của tin tức đã được mang bởi mỗi dải sóng biên. Do vậy, có ưu điểm là công
suất truyền thấp; chỉ còn bằng Ġ với mt < 1, Pc: công suất sóng mang.
Một ưu điểm nữa là dải tần sóng bằng ½ so với kỹ thuật truyền sóng biên.
Điều này rất có ý nghĩa nếu dùng kỹ thuật ghép kênh. Do dải tần sóng phát chỉ
còn ½ thì số kênh truyền được ghép sẽ tăng gấp đôi lên. Nhưng nó có nhược điểm
là thiết bị phát và thu phức tạp vì khi thu được són, sóng mang phải được tái tạo và
chèn vào sóng biên thì quá trình giải điều chế (điều biến) mới thực hiện được.
Kỹ thuật truyền đơn biên với sóng mang giảm biên độ gọi tắt là
SSBRC (Single Side Band Reduced Carrier), kỹ thuật truyền này cũng có ưu điểm
như kỹ thuật SSBSC ở trên, nhờ sóng mang hạn chế biên độ nên sóng mang có thể
tái tạo được dễ dàng tại máy thu.
c/. Kỹ thuật truyền hai dải biên độc lập: Kỹ thuật này gọi tắt là ISB
(Independent Side Band), kỹ thuật này truyền cả hai dải sóng biên, mỗi dải mang
một nội dung tin tức độc lập nhau, như vậy là với cùng một sóng mang, có thể
truyền được hai thông tin khác nhau.
d/. Kỹ thuật truyền song biên triệt sóng mang: gọi tắt là DSBSC (Double
Side Band Suppressed Carrier), kỹ thuật truyền 2 dải sóng biên, sóng mang không
truyền. Như vậy không phải mất công suất sóng mang nhưng ở máy thu phải dùng
mạch giải điều biến tích số tốn kém hơn mạch giải điều biến đường bao, ở mày thu
song biên có sóng mang thường gặp hơn.
e/. Kỹ thuật truyền 1 dải biên hẹp: gọi tắt là VSB (Vestigial Side Band), kỹ
thuật này được sử dụng cho kỹ thuật phát hình mà chúng ta đang nghiên cứu.
Không được dùng cho kỹ thuật truyền thanh. Đây là kỹ thuật tổng hợp của kỹ
thuật truyền song biên với kỹ thuật truyền một dải biên. Vấn đề truyền đơn biên sẽ
được nghiên cứu và trình bày rõ hơn ở phần sau.
II. ĐIỀU CHẾ ĐƠN BIÊN (SSB: Single Side Band)
A. ƯU VÀ KHUYẾT ĐIỂM CỦA ĐIỀU CHẾ ĐƠN BIÊN:
Như ta đã biết tin tức chỉ chứa trong biên tần, nên chỉ cần truyền đi một
biên tần là đủ thông tin về tin tức. Quá trình điều chế nhằm tạo ra một dải biên tần
gọi là điều chế đơn biên. Tải tần chỉ cần dùng để tách sóng, do đó có thể nén toàn
bộ hoặc một phần tải tần trước khi truyền đi.
Một số ưu điểm của điều chế đơn biên (SSB) so với điều biên được
ghi như sau:
VAM
f
0 f0
VSSB
Đây là dạng phổ của SSB f
0
1. Độ rộng dải tần giảm một nửa:
DSSB < ½ DAM. Do vậy mà trong cùng một dải tần số thì số đài có thể
bố trí tăng gấp đôi.
2. Hiệu suất rất cao so với điều chế AM:
Phữu ích = Pbt = 1/3PAM khi m = 1
Còn đối với điều chế đơn biên : Phữu ích = Pbt = PSSB
Nếu xét về hệ số sử dụng công suất:
KAM = 1/3 và KSSB = 1 khi m = 1
KAM = 1/9 và KSSB = 1 khi m = 0,5
Như vậy, khi m càng nhỏ thì máy phát đơn biên càng có công suất hữu ích
lớn hơn nhiều lần so với công suất hữu ích của máy phát điều biên.
3. Do DSSB ( 2DAM nên đối với các loại nhiễu nói chung (S/N)SSB
> (S/N)AM và riêng đối với nhiễu trắng (nhiễu có cường độ như nhau) thì
(S/N)SSB ( 2 (S/N)AM. Nhö vaäy ñeå maùy phaùt AM vaø SSB coù cuøng S/N,
ta phaûi taêng PAM lên 2 lần.
4. Do hiện tượng pha đinh trong truyền sóng mà tần số sóng mang fc
có thể bị suy giảm. Cho nên với máy thu AM khi thu có lúc m > 1 sẽ gây méo do
quá điều chế. Nếu pha đinh rất lớn làm mất hẳn tần số sóng mang thì máy thu AM
sẽ không thu được. Còn đối với máy thu SSB, pha đinh làm suy giảm hay triệt tiêu
tần số sóng mang thì không có (bị) ảnh hưởng gì.
5. Đối với tín hiệu AM trong dải sóng ngắn, do sự phân tán của đặc
tuyến pha mà xảy ra sự chia pha các dao động trong dải biên. Điều này làm méo
tín hiệu truyền và làm giảm biên độ điện áp ở đầy vào bộ tách sóng của máy thu
AM. Tổn hao công suất ở đầu, do đó được đánh giá là 50%. Còn đối với tín hiệu
SSB thì mọi tin tức đều được phát trong một dải biên nên không có hiện tượng
chia pha.
6. Dùng tín hiệu SSB sẽ thực hiện được sự bảo mật tốt, do nếu không
biết tần số sóng mang thì sẽ không thu được tin tức. Do vậy, máy phát và thu SSB
được sử dụng rất nhiều trong lĩnh vực quân sự, truyền hình.
Tuy có nhiều ưu điểm, song do yêu cầu kỹ thuật khá cao như: mạch lọc
dải phải rất hẹp và dốc đứng, việc tạo lại tần số sóng mang fc trong máy thu phải
rất chính xác mới không gây méo tín hiệu… cho nên máy phát và máy thu đơn
biên có cấu tạo phức tạp hơn so với máy phát và thu AM. Cho nên nó chỉ được
dùng trong các máy phát chuyên dụng: máy phát hình, máy phát thoại, phát tín
hiệu nhiều kênh.
B. CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ ĐƠN BIÊN:
Phương pháp đầu tiên để tạo ra tín hiệu đơn biên (SSB) là từ tín hiệu điều
biên AM người ta dùng bộ lọc dải để tách một biên tần cần thiết ra. Song do yêu
cầu chất lượng cao nên bộ lọc dải rất phức tạp. Bởi vậy người ta sử dụng hai
phương pháp tạo tín hiệu SSB khác: phương pháp quay pha và phương pháp lọc
pha. Nhưng hai phương pháp này ngày nay không còn sử dụng nữa do nó có nhiều
mặt hạn chế. Còn tần số sóng mang fc, dải biên thứ hai … Ngày nay phương pháp
tạo tín hiệu SSB được sử dụng rộng rải nhất là phương pháp tổng hợp: tạo tín hiệu
SSB bằng các tần số sóng mang khác nhau. Đặc biệt là khi bộ lọc thạch anh xuất
hiện thì phương pháp này được sử dụng rất rộng rải. Ta sẽ lần lượt xét các
phương pháp tạo tín hiệu SSB khác nhau:
1. Phương pháp lọc và phương pháp tổng hợp:
a. Phương pháp lọc:
(hình chưa vẽ)
Tín hiệu điều chế ec và tải tin Ec được đưa vào bộ điều chế cân bằng. Sau
bộ điều chế cân bằng ta thu được 2 dải biên, sau đó dùng bộ lọc dải ta sẽ thu được
biên trên hoặc biên dưới như sơ đồ khối và phổ tín hiệu của phương pháp lọc (fc:
tần số sóng mang, (: một nữa khoảng cách giữa tần số cần lọc và tần số cho qua).
Nhưng do f V1
0
f
fmin fmax f1
V2
2fmin
0
f
f1- f1-fmin f1+fmi f1+fma
V3
0
f
f1+fmin f1+fmax
V4
2Δ = 2f1 + 2fmin
0
f
f2 - f1-fmax f2 - f1-fmin f2 f2 +f1+fmin f2 + f1+ fmax
V5 Bộ lọc 1 thường là bộ lọc thạch anh hay bộ lọc cơ điện chất lượng cao vì (
rất nhỏ.
Tần số sóng mang thứ hai có f1 >> fc và ( = f1 + fmin rất lớn nên dễ lọc
được. Vì vậy bộ lọc 2 thường là bộ lọc L, C đơn giản. Nếu f2 chưa ở trong dải tần
f
0
số làm việc thì buộc ta phải đổi tần lần thứ hai: dùng bộ ĐCCB3. Bộ lọc 3 cũng
đơn giản như bộ lọc 2 vì ( lớn : ( = f1 + fmin. Cứ thế cho +f1+fmin fnào 1ta fđạt
f2 đến khi 2 + f + max
được tần số làm việc f0.
2. Phương pháp quay pha: tín hieäu theo phöông phaùp toång hôïp
Ñaây laø phoå
Đây là phương pháp khá phức tạp và khó nhưng cho kết quả không cao,
người ta gần như không sử dụng nữa. Trong luận văn tốt nghiệp này; người làm
xin được không trình bày.
II. CÁC MẠCH ĐIỀU BIẾN BIÊN ĐỘ:
Vị trí mạch điều biến biên độ trong máy phát cho biết mạch máy phát
thuộc loại được điều biên ở mức thấp hay mức cao. Đối với máy điều biên mức
thấp, mạch điều biến ở phía trước điện cực ra của tầng khuếch đại công suất phát
sóng, tức là điện cực trước cực thu của transistor khuếch đại công suất cao tần phát
công suất như cực khiển hay cực phát. Nếu là đèn điện tử thì phải trước anode (tức
là lưới khiển), lưới màn cathode, nếu là transistor trường thì phải trước cực thoát
là cổng hay nguồn.
Ưu điểm của kỹ thuật điều biên mức thấp là không yêu cầu công suất tín
hiệu điều biến cao để có tỉ số điều biên cao. Máy điều biến mức cao có mạch điều
biến ở ngay điện cực ra của tầng khuếch đại công suất cao tần phát sóng tức là ở
ngay cực thu của transistor công suất cao tần anode đèn khuếch đại công suất cao
tần hay cực thoát transistor trường khuếch đại công suất cao tần. Nhược điểm của
kỹ thuật này là phải có công suất tín hiệu điều biến cao.
1/. Mạch điều biến mức thấp:
a. Mạch điều biến cực phát transitor: có sơ đồ mạch như sau:
R1
Rc = 10K
C1 RC1
Soùng mang Q1 Rtaûi
Ec = Ec SinWct
Re C3
R2 n1 n2 Cm (t) = Em CosWmt
n1 = n2
Tín hiệu điều biến : em = Emcos(mt
Mạch điều biến cực phát:
Sóng mang ec = Ecsin(ct t
Điện áp tại cực thu Vc:
t
Sóng đã điều biến tại ngõ ra:
Tín hieäu ñieàu bieán
t
Nguyên lý làm việc của mạch:
Tín hiệu điều biến vào cực phát làm thay đổi điện trở mặt tiếp giáp giữa
cực phát với cực khiển re vì ĺ , với IE là dòng cực phát tính bằng (mA).
Hệ số khuếch đại sóng mang của transistor bằngĺ mà hie =
(re. Do vậy hệ số khuếch đại biến thiên theo dòng tín hiệu điều biến vào cực phát.
Điện áp tín hiệu điều biến tăng lên, dòng ie giảm do điện áp phân cực
transistor ổn định, Av giảm, re tăng. Ngược lại, khi tín hiệu điều biến giảm, ie
tăng, re giảm, (re giảm, Av tăng lên. Do đó ta có điện áp ra tại cực thu và sóng đã
điều biến tại ngõ ra. Mạch này đạt yêu cầu đối với máy phát công suất nhỏ, nhưng
không đạt ở máy công suất cao do transistor làm việc ở chế độ lớp A, mạch có
hiệu suất kém.
b. Mạch điều biến cực thu transistor:
Nếu mạch này là tầng khuếch đại công suất cuối cùng của máy phát thì
đây là mạch điều biến mức cao vì điện áp điều biến đặt vào cực thu là ngõ ra của
mạch khuếch đại cao tần phát sóng. Nếu là tầng khuếch đại đặt trước mạch khuếch
đại công suất cuối cùng thì đây là mạch điều biến mức thấp. Ta xét sơ đồ mạch
như sau:
VOC
n1 = n2
em (t) = Em CosWmt n1 n2
L
Ra
Soùng mang Q1
ec = Ec SinWct n1 n2
R1 C
Với L: cuộn cảm cách ly cao tần.
Nguyên lý làm việc của mạch: transistor Q1 khuếch đại sóng mang ec
ở chế độ C, sóng mang ec được đưa vào cực khiển khi ec nhỏ hơn 0,6V, Q1
không dẫn, khi ec > 0,6V thì Q1 dẫn, mỗi chu kỳ sóng mang Q1 chỉ dẫn trong
một góc nhỏ hơn 180o. Tín hiệu điều biến làm thay đổi điện áp nuôi transistor vì
được mắc nối tiếp với điện áp một chiều Vcc.
- Tín hiệu điều biến :
t
em B B
t
ic
B B
- Sóng mang : ec = Ec sin(ct
ec
t
- Điện áp ra :
2VCC
VCC
Như vậyVCE áp ra có tín hiệu điều biến sóng tmangCE bh thành phần một
điện V và = 0
chiều VCC.
Do Q1 làm việc không tuyến tính nên các thanh phần khác như: fc = f(m),
2fc, 2fm. Re là mạch tự phân cực, cũng là mạch điện áp âm vào cực khiển Q1 làm
việc ở chế độ lớp C. Ngày nay, người ta đã cải thiện mạch có thêm mạch cộng
hưởng L, C, thay cho cuộn cảm L để loại các thành phần không cần thiết.
Sơ đồ mạch minh hoạ như sau:
VCC
n2 C3 vôùi n1 = n2
n1
1
fc =
2π L1C1
Ra
C1 L1
Soùng mang
ec = Ec Sinωct Soùng ñaõ ñieàu
chöa ñieàu bieán bieán
Q
n1 n2
Cth
R C2
Cth : tuï ñieän trung hoaø choáng dao ñoäng
2. Mạch điều biến mức cao:
Mạch điều biến cực thu vừa nói trên được phân vào loại mạch điều biến
mức cao nếu cực thu là ngõ ra của máy phát, transistor Q1 là transistor công suất
khuếch đại cao tần cuối cùng. Để có hiệu suất cao thì transistor làm việc ở chế độ
C tức là chỉ dẫn trong thời gian ngắn hơn một nửa chu kỳ sóng. Với mạch điều
biến cực thu, ta có tỉ số điều biến m cao hơn, tín hiệu gốc ít biến dạng hơn, nhưng
nếu là mạch ở mức cao tức là mạch phát sóng ra thì tín hiệu điều biến cần có công
suất tương ứng với sự phân bố công suất.
Để có thể điều biến sâu hơn với tín hiệu gốc ít méo, ta có thể sử dụng
mạch điều biến đồng thời cực khiển và cực thu sau đây:
Anten
Q2
Q1 Soùng ra
ñaõ ñieàu
bi á
Soùng chöa ñieàu Q3
bi á
eC = ECSinωCt Soùng ñaõ ñieàu
bieán
t ïi öï th Q
Em = EmSinωmt
Tín hiệu điều biến đã được đưa vào cực thu của hai transistor khuếch đại
công suất cao tần phát sóng Q2 và Q3 và cực thu của transistor khuếch đại sóng
cao tần Q1. Như vậy, ở các cực khiển của Q2 và Q3 là các sóng đã điều biên một
phần phát ra từ Q1. Các sóng này lại được điều biến tần thứ hai bởi cùng một tín
hiệu tại các cực khiển và cực thu của Q1 và Q3. Mạch này ít làm méo tín hiệu
điều biến và sóng được điều biến với tỉ lệ cao hơn.
3. Vi mạch điều biến:
Vi mạch tạo hàm có thể dùng làm mạch điều biên phù hợp với các đặc
tính máy phát tần số rất ổn định, rất ít gây méo tín hiệu điều biến, nếu gọn nhẹ và
thiết kế giản đơn.
Tuy nhiên có nhược điểm là công suất ra thấp, phạm vi tần số hữu ích hẹp.
Một trong các vi mạch tạo hàm đơn khối là vi mạch XR – 2206 của
EXAR CORPORATION, có thể tạo các sóng Sin, vuông, tam giác, tạo hàm dốc
với độ chính xác và ổn định cao.
Ngõ ra sóng lại có thể điều khiển biến tần số hay biên độ. Tần số làm việc
ở trong phạm vi từ 0,01Hz ( 1MHz.
III. KỸ THUẬT ĐIỀU BIẾN GÓC:
Sóng cao tần có ba đặc tính có thể thay đổi được là biên độ, tần số và góc
pha. Phần trên đã trình bày về kỹ thuật điều biến biên độ. Trong phần này sẽ tiếp
tục trình bày về kỹ thuật điều biến tần số và kỹ thuật điều biến góc pha (gọi tắt là
kỹ thuật điều tần FM và kỹ thuật điều pha PM). Đây là những dạng của kỹ thuật
điều biến góc.
Kỹ thuật này được đề nghị từ năm 1931, do có ưu điểm ít bị can nhiễu
công nghiệp hơn kỹ thuật điều biên. Ngày nay, kỹ thuật điều biến góc được sử
dụng rộng rãi mọi nơi trong ngành vô tuyến truyền thanh, truyền hình và các hệ
thống truyền vi ba qua các trạm tiếp sóng mặt đất hay vệ tinh.
Tuy nhiên, kỹ thuật này cũng có một số nhược điểm nhất định là có mạch
điện tử phức tạp hơn và dải thông rộng hơn ở cả máy phát lẫn máy thu.
1. Định nghĩa:
Sóng đã điều biến có biều thức như sau:
em = E c cos [ω c t + θ (t )]
Với Ec : biên độ cực đại của sóng mang
[ωct +θ(t)] : góc pha tức thời. Trong đó : (c = 2(f là tần số góc tính
bằng (rad/s) của sóng mang.
fc : tần số sóng mang, tính bằng Hz.
((t) : góc lệch pha tức thời (rad).
(ct : góc pha qui chiếu.
Tần số tức thời của sóng (t là tần số sóng tại một thời điểm là đạo hàm
bậc nhất của góc pha tức thời:
d [ω t + θ (t )] (rad/s)
ω t = c = ω c + θ (t )
dt
hay : (Hz)
θ ' (t )
f (t ) = f c +
2π
Tần số lệch tức thời ((t là tần số lệch tại một thời điểm chính là đạo
hàm bậc nhất của góc lệch pha tức thời
Hoặc:
Δ ω t = θ ' (t )( rad / s )
θ (t )
Δ f (t ) = ( Hz )
2π
Kỹ thuật điều biến tần số là kỹ thuật điều biến góc làm tần số lệch tức
thời (( (t) = (’(t) biến thiên tỷ lệ với tín hiệu điều biến em:
Δω (t) = θ’(t) = Kf.em(t) (rad/s)
Kf : hệ số tỷ lệ.
Em(t) : tín hiệu điều biến.
Kỹ thuật điều biến pha là kỹ thuật điều biến góc làm góc lệch pha tức
thời biến thiên tỷ lệ với tín hiệu điều biến em:
θ(t) = Kp.em(t) (rad/s)
Với Kp : hệ số tỷ lệ.
em(t) : tín hiệu điều biến.
2. Quan hệ giữa kỹ thuật điều biến tần số với điều biến pha:
Từ định nghĩa về kỹ thuật điều biến tần số và điều biến pha, ta có thể phân
biệt được sóng điều tần và các sóng điều pha bằng cách xác định tần số hay góc
pha sóng biến thiên trực tiếp tỷ lệ với tín hiệu điều biến em(t). Như vậy sóng điều
tần có tần số lệch tức thì (( (t) = (’(t) được xử lý cho biến thiên tỷ lệ với tín hiện
điều biến tức là : (( (t) = (’(t) = Kf.em(t).
Sóng điều pha có góc lệch pha tức thời ( (t) được xử lý cho biến thiên tỷ lệ
với tín hiệu điều biến tức là : ((t) = Kp.em(t).
Khi điều biến tần số, góc lệch pha tức thời của sóng cũng biến thiên,
nhưng không tỷ lệ với tín hiệu điều biến. Ngược lại, khi điều biến góc pha, tần số
tức thời của sóng cũng biến thiên không tỷ lệ với tín hiệu điều biến.
Sự tương quan giữa hai kỹ thuật này cần phải được xác định để có cơ sở
chuyển đổi mạch điều tần thành mạch điều pha hay ngược lại.
Để xác định sự biến thiên góc lệch pha tức thời ((t) của sóng điều tần theo
tín hiệu điều biến em(t), ta có :
θ(t) = ∫ θ (t )
'
Sóng điều tần: (’(t) = Kf.em(t).
Vậy
θ (t ) = ∫K f .e m ( t ) = K f ∫ em (t )
Do vậy, ta có thể dùng mạch điều biến tần số tạo ra sóng điều biến pha
bằng sơ đồ khối như sau :
dem(t)
em(t) dt
Maïch vi phaân Maïch ñieàu bieán
taàn soá FM Soùng ñieàu
Ta cũng có thể dùng mạch điều biến pha để tạo sóng điều tầntheoPM đồ
bieán pha sơ
sau :
em(t)
Maïch tích phaân ∫e m (t)dt Maïch ñieàu bieán
pha (PM)
Soùng
ñieàu
Hai phương pháp điều chế này có thể tìm được biểu thức tổngtaàn (FM)
quát sóng
điều biên góc trong trường hợp tín hiệu điều biến dạng sin từ bảng tổng kết sau
đây:
Loại sóng Tín hiệu điều chế Biểu thức của sóng điều biến
Điều pha PM em(t) ECCos(ωCt + Kf.em(t)
Điều tần FM em(t)
Điều pha PM EmCosωmt ECCos(ωCt + Kf.EmCosωmt)
Điều tần FM -EmSinωmt
Điều tần FM EmCosωmt
Vậy biểu thức tổng quát sóng điều biến góc không phân biệt sóng điều tần
hay điều pha là: e(t) = EcCos((c(t) + mCos(m(t)(.
Với: mCos(m(t) = ((t) là góc lệch pha của sóng điều biến góc chung cho
cả sóng điều tần lẫn sóng điều pha khi tín hiệu điều biến có dạng sin.
Để biết được yêu cầu dải thông của mạch khuếch đại và mạch khác trong
máy phát, máy thu sóng điều biến góc ta cần biết các thành phần tần số của sóng.
Ta có thể áp dụng trực tiếp đẳng thức hàm Bessel:
+∞
⎛ nπ ⎞
cos (α + m cos β ) = ∑ J n ( m ) cos ⎜ α + n β + ⎟
n = −∞ ⎝ 2 ⎠
Jn(m) là hàm Bessel cấp một bậc n, argument m, ta có thể viết loại biểu
thức sóng điều biến góc dước dạng sau :
+∞
nπ
e(t) = E c ∑ J n ( m ) cos( ω c t + nW ω m t +
2
− ∞
Ta triển khai biểu thức như sau:
π
J o ( m ) cos ω c t + J 1 ( m ) cos [( ω c +ω m )t ] +
E(t) = Ec 2
⎡ π⎤
− J 1 (m) cos⎢(ω c − ω m )t − ⎥ − J 2 (m) cos[(ω c + 2ω m )t ] +
⎣ 2⎦
J 2 (m) cos[(ω c − 2ω m t ] + ....
Như vậy khi tín hiệu điều biến em(t) chỉ mới là tín hiệu đơn tần mà sóng
điều biến góc có vô số đôi sóng biên: fc ( fm, fc ( 2fm, …… , 2fc ( 2f , gọi là
đôi sóng biên bậc 1, bậc 2, …, bậc m. Biên độ của chúng được xác định bởi các
hệ số : J1(m), J2(m), …, Jn(m) với:
1 π
j ( m sin )
J (m ) = ∫ e dx
x − nx
n
2 π − π
Với sóng điều pha :
e = E c cos( ω c t + K p E m cos ω m t )
m = KpEm: gọi là hệ số tỷ lệ.
Kp : gọi là độ nhạy điều pha (rad/s).
Em : biên độ cực đại tín hiệu điều biến.
m : chỉ số điều biến góc.
Vậy: m = KpEm còn gọi là góc lệch pha cực đại với sóng điều tần.
E
+ Kf :e hệ số c cos( độcnhạy K f ω (Hz/v). m t )
= E tỷ lệ là ω t + điều tần cos ω
m
m
+ Em : biên độ cực đại tín hiệu điều biến.
+ m : chỉ số điều biến góc.
+ Kf.Em : tần số khuếch đại cực đại.
3. Dải thông của mạch khuếch đại sóng điều biến góc:
Sóng điều biến góc được phân thành ba lớp:
+ Sóng chỉ số điều biến thấp.
+ Sóng chỉ số điều biến trung bình.
+ Sóng chỉ số điều biến cao.
Bảng hàn Bessel cho thấy chỉ số điều biến góc càng cao thì số đôi sóng
biên càng nhiều.
Sóng chỉ số điều biến thấp có m < 1, nội dung tín hiệu phần lớn được chứa
bởi hai dải biên bậc một. Dải thông tối thiểu của mạh khuếch đại điều biến góc
bằng: Bw = 2fm (Hz) với fm : tần số tín hiệu điều biến.
Nếu là sóng điều tần, chỉ số m < 1 thì sóng còn được gọi là sóng điều tần
dải hẹp.
Sóng chỉ số điều biến trung bình có m nằm ở trong khoảng 1 ( 10. Khi tra
cứu bảng Bessel ta có dải thông tối thiểu của mạch khuếch đại sóng điều biến góc
bằng:
Bw = 2.n.fm (Hz)
Với n : số dải biên có biên độ.
fm : tần số tín hiệu điều biến.
Sóng chỉ số điều biến cao có chỉ só điều biến cao hơn 10 lần mạch khuếch
đại có dải thông xác định bởi định luật Carron : Bw = 2((f + fm(max)( (Hz).
Với : (f là tần số lệch cực đại.
fm(max) : tần số cao nhất của tín hiệu điều biến.
Đây là định luật tổng quát cho sóng điều biến góc không phân biệt điều tần
hay điều pha. Nếu xác định theo định luật này thì dải thông chỉ cho 98% công suất
phát sóng.
Jn(m)
0,8 J0
0,6
J1
J2 0
0,4
1
0,2 fm
2 4 6
-0,2
-0,4
Giá trị hệ số Bassel đối với J0, J1, J2 phụ thuộc fm.
4. Công suất trung bình sóng điều biến góc:
Một trong các điểm khác biệt giữa sóng điều biến góc với sóng điều biên
(AM) là công suất trung bình sóng điều biến góc bằng công suất sóng mang chưa
điều biến. Như vậy khi đã được điều biến góc, công suất của sóng mang được
phân bố giữa sóng mang với các đôi sóng biên, công suất toàn bộ sóng không đổi.
Công suất sóng mang chưa điều biến bằng:
E2
Pc = c
Pc : công suất sóng mang trung bình.
2R
E2c : điện áp cực đại tín hiệu điều biến.
R : điện trở phụ tải.
Công suất tức thời sóng đã điều biến góc bằng:
2 2
Ec Ec ⎡ 1 1 ⎤
Pt = cos (ωc t + θ (t )) =
2
⎢ 2 + 2 cos(2ωc t + 2θ (t ))⎥
R R ⎣ ⎦
Vị trí trung bình của ½ cos (2(ct + 2((t)) = 0,
Nên ta có công suất trung bình sóng đã điều biến là E2c
Pt =
2 R trong trường
Như vậy, những điều nói ở phần trên đã được chứng minh
hợp tín hiệu điều biến đơn tần. Công suất toàn sóng mang với công suất các thành
phần tần số biên:
Pt = Pc + P1 + P2 + P3 + + … + Pn
E 2 2( E 1 ) 2 2( E 2 ) 2 2( E 3 ) 2 2( E n ) 2
Pt = c
+ + + + ... +
2R 2R 2R 2R 2R
Với : Pt là công suất toàn sóng.
Pc : công suất sóng mang.
P1 : công suất hai dải biên bậc 1.
P2 : công suất hai dải biên bậc 2.
P3 : công suất hai dải biên bậc 3.
Pn : công suất hai dải biên bậc n.
5. Mạch Điều Biến Góc: Xét mạch điện điều tần và điều pha:
Xét phổ âm thanh của người, ta thấy thực tế ở tần số cao biên độ âm bị
giảm nhỏ. Do đó ở tần số cao độ di tần nhỏ vì (( ( k.em (t) nghĩa là tín hiệu điều
tần bị méo. Để khắc phục, ở phía máy phát trước khi đưa tín hiệu điều chế em (t)
váo bộ điều tần, ta phải đưa nó qua bộ khuếch đại nâng tần số cao (emphasis) để
trong dải tần số điều chế taco:ù (( =const.
em(t) Ñieàu taàn
em(t)
Ñieàu pha
