NGUYÊN LÝ

TRUYỀN THÔNG

Thạc sĩ. VÕ KHIẾM

TRUNG TÂM NG D NG KHOA H C, Ứ Ụ Ọ CÔNG NGH & TIN H C LÂM Đ NGỆ Ọ Ồ

Email: vokhiemkh@yahoo.com Phone: 063. 501778 - 0913173367

Chương 2:Chương 2:ĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU TƯƠNG TỰĐIỀU CHẾ TÍN HIỆU TƯƠNG TỰ

Tín hiệu tương tự khi truyền đi xa thì năng lượng của chúng bị suy giảm theo khoảng cách.

Vì vậy, để có thể truyền tín hiệu đi xa và thích hợp với các dạng kênh truyền khác nhau cần phải thực hiện quá trình điều chế tín hiệu.

Trong chương trình này, chỉ nghiên cứu nguyên lý của các tín hiệu điều chế tương tự và hàm phổ của chúng.

Các sơ đồ điều chế chỉ trình bày dưới dạng nguyên lý. Các vấn đề giải pháp kỹ thuật, sơ đồ mạch điện cụ thể, sẽ được nghiên cứu kỹ hơn ở giáo trình Mạch điện tử thông tin.

I. KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐIỀU CHẾ

Điều chế là quá trình biến đổi dạng tín hiệu sóng mang (carrier) tuân theo một đặc trưng nào đó của tín hiệu đều chế ( tin tức ) cần truyền đi nhằm tạo ra một tín hiệu chứa nội dung tin tức nhưng có dạng thức phù hợp, có thể lan truyền trong môi trường.

Để điều chế tín hiệu, cần phải có hai thành phần:

- Tín hiệu đem điều chế, chứa tin tức, thường được kí hiệu là s(t) (hay x(t), w(t), m(t),..., tuỳ hoàn cảnh).

s(t) = Uscos2πfst

- Sóng mang (carrier ), còn gọi là dao động tải tin, ký hiệu là Uc(t) hay Xc(t)…. Đó là dao động tần số cao, thường dưới dạng điện thế hay dòng điện, như sau:

Uc(t) = Uocos(2πfct + θ)

CÁC KIỂU ĐIỀU CHẾCÁC KIỂU ĐIỀU CHẾ

Uc(t) được đặc trưng bởi ba tham số là: biên độ, tần số, pha tức thời.

Nói các khác: điều chế là ghi tín hiệu vào một trong các tham số của dao động mang, làm cho các tham số này bị thay đổi theo quy luật của tin tức.

- Nếu ghi tín hiệu vào biên độ của dao động mang, làm cho biên độ thay đổi theo quy luật của tin tức. Ta có tín hiệu điều chế biên độ.

- Nếu ghi tín hiệu vào tần số của dao động mang, thì tần số dao động mang thay đổi theo quy luật của tin tức. Ta có tín hiệu điều chế tần số.

- Nếu ghi tín hiệu vào pha tức thời của dao động mang, thì pha tức thời bên cạnh sự thay đổi đều đặn theo thời gian, sẽ thay đổi theo quy luật của tin tức. Ta có tín hiệu điều chế pha.

- Nếu ghi tín hiệu đồng thời vào hai tham số (biên độ và pha) của dao động mang, chúng ta có tín hiệu điều chế hỗn hợp.

II. ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘII. ĐIỀU CHẾ BIÊN ĐỘ AMAM

((Amplitude ModulationAmplitude Modulation ) )

1. Điều chế biên độ song biên1. Điều chế biên độ song biên

Tin tức s(t) và sóng mang uc(t) biểu diễn như sau:Tin tức s(t) và sóng mang uc(t) biểu diễn như sau:

s(t) = Us(t) = Usscos2πFtcos2πFt

uc(t) = Uocos(2πfuc(t) = Uocos(2πfcct + θ)t + θ)

Tín hiệu điều chế AM (theo phép cộng) có dạng:Tín hiệu điều chế AM (theo phép cộng) có dạng:

uAM(t) = [U0 + s(t)]cos(2πfct + θ)

uuAMAM(t) = [U(t) = [U00 + U + Uss.cos2πFt].cos(2πfct + θ).cos2πFt].cos(2πfct + θ)

= = UU0 0 [1+Us/U0.cos2πFt].cos(2πf[1+Us/U0.cos2πFt].cos(2πfcct + θ) t + θ)

Đặt m = Us/UĐặt m = Us/U0 0 là độ sâu điều chế là độ sâu điều chế

uuAMAM(t) = U(t) = U00[1 + m.cos2πFt].cos(2πf[1 + m.cos2πFt].cos(2πfcct + θ)t + θ)

uuAMAM(t) = [U(t) = [U00 + m.U + m.U00cos2πFt].cos(2πfcos2πFt].cos(2πfcct + θ)t + θ)

Tín hiệu AM theo độ sâu điều chế m

Phổ biên độ - tần số tín hiệu AM đơn âmPhổ biên độ - tần số tín hiệu AM đơn âm

uuAMAM(t) = [U(t) = [U00 + m.U + m.U00cos2πFt].cos(2πfcos2πFt].cos(2πfcct + θ)t + θ)

Chúng ta có thể triển khai biểu thức như sau:Chúng ta có thể triển khai biểu thức như sau:

uuAMAM(t) = U(t) = U00cos(2πfcos(2πfcct + θ) + mUt + θ) + mU00cos(2πfcos(2πfcct + θ). cos(2πFt)t + θ). cos(2πFt)

- Thành phần (1) - Thành phần (1) biên độ Ubiên độ U00, còn tần số sóng mang fc ;, còn tần số sóng mang fc ;

- Thành phần (2) - Thành phần (2) biên độ mUbiên độ mU00/2/2, còn tần số biên trên là (fc+F);, còn tần số biên trên là (fc+F);

- Thành phần (3) - Thành phần (3) biên độ mUbiên độ mU00/2/2, còn tần số biên dưới là (fc-F)., còn tần số biên dưới là (fc-F).

])(2cos[2

])(2cos[2

)2cos( 000 tFf

mUtFf

mUtfU ccc

])(2cos[2

])(2cos[2

)2cos(

0

0

0

tFfmU

tFfmU

tfU

c

c

c

Phổ tín hiệu AMPhổ tín hiệu AM

Phổ biên độ - tần số tín hiệu AM

Công suất các thành phần tần phổCông suất các thành phần tần phổ

- Công suất của thành phần sóng mang: P- Công suất của thành phần sóng mang: Pcc = U = U2200

- Công suất của thành phần biên: Pb = (mU- Công suất của thành phần biên: Pb = (mU00/2)/2)22

- Công suất toàn bộ tín hiệu AM : - Công suất toàn bộ tín hiệu AM : PPAMAM = Pc + 2Pb = Pc [ 1 + m = Pc + 2Pb = Pc [ 1 + m22/2]/2]

Điều chế AM, công suất thành phần sóng mang chiếm phần lớn. Điều chế AM, công suất thành phần sóng mang chiếm phần lớn.

m = 1, thì 66% công suất dành cho sóng mang, chỉ 17% công suất m = 1, thì 66% công suất dành cho sóng mang, chỉ 17% công suất để tải thông tin (một dải biên). để tải thông tin (một dải biên).

m < 1, công suất để tải thông tin còn giảm hơn nữa, m = ½, thì gần m < 1, công suất để tải thông tin còn giảm hơn nữa, m = ½, thì gần 90% công suất cho sóng mang, hơn 5% công suất của tín hiệu để tải 90% công suất cho sóng mang, hơn 5% công suất của tín hiệu để tải thông tin.thông tin.

m > 1, công suất thành phần sóng mang giảm đi. Nhưng độ rộng phổ m > 1, công suất thành phần sóng mang giảm đi. Nhưng độ rộng phổ tín hiệu AM tăng lên nhiều lần, Wtín hiệu AM tăng lên nhiều lần, Wm>1m>1 = 6B = 3W = 6B = 3Wm<1m<1, ,

W độ rộng phổ tần số tín hiệu AM, còn B là độ rộng phổ của tin tức.

Phổ biên độ - tần số tín hiệu AM đa âm

2. Điều chế biên độ triệt sóng mangDSB – SC (Double SideBand Supperssed Carrier ).

Điều chế AM có nhược điểm là lãng phí công suất phát cho sóng mang mà không chứa đựng thông tin.

Trong ứng dụng, ta loại bỏ sóng mang trong tín hiệu điều chế, phương pháp này gọi là điều chế triệt sóng mang DSB – SC

Tín hiệu AM có hai dải biên tần với sóng mang bị triệt, được tạo ra bằng cách nhân tín hiệu đem điều chế s(t) với sóng mang Uc(t), có dạng như sau:

uDSB-SC(t) = s(t).U0 cos(2πfct + θ)

Tín hiệu DSB – SC, do không có thành phần sóng mang nên toàn bộ công suất của tín hiệu dùng để tải thông tin (mỗi dải biên 50%).

Tuy nhiên, khi nhận lại tín hiệu điều chế ở máy thu phải sử dụng mạch giải điều chế tích, nên giá thành sẽ cao hơn nhiều so với mạch tách sóng đường bao biên độ AM.

Phổ biên độ - tần số tín hiệu DSB-SC

uDSB-SC(t) = s(t).U0 cos(2πfct + θ)

Biểu thức này có thể viết lại đơn giản như sau:

uDSB-SC(t) = U0Uscos(2πFt) x cos(2πfct + θ)

Chúng ta triển khai tiếp như sau:

uDSB-SC(t) = Acos[2π(fc + F)t + θ].cos[2π(fc – F)t + θ]

Biểu thức này chỉ có hai thành phần tần số là fc ± F.

Phổ biên độ - tần số tín hiệu BSB-SC

3. Điều chế biên độ - đơn biên 3. Điều chế biên độ - đơn biên SSB-AM (Single Side Band Amplitude Modulation )

Phổ biên độ - tần số của tín hiệu AM, có hai dải biên (biên trên và biên dưới) cùng chứa một lượng tin như nhau.

Như vậy, chỉ cần một dải biên cũng có thể khôi phục lại tin tức ban đầu, tức là có thể bỏ đi một dải biên.

Để toàn bộ công suất của tín hiệu sử dụng cho truyền tải thông tin, cần loại bỏ thành phần sóng mang như điều chế DSB-SC, và loại bỏ bớt một dải biên của tín hiệu, đó là điều chế biên độ đơn biên SSB-AM .

Tín hiệu SSB-AM với sóng mang bị triệt thường được sử dụng trong thực tiễn nhất.

Phổ biên độ tần số tín hiệu SSB – AM

tiếng nói

Điều chế tín hiệu SSB-AM có thể thực hiện bằng một

trong ba giải pháp kỹ thuật sau:

- Phương pháp lọc (filtering method);

- Phương pháp quay pha (phasing method);

- Phương pháp lai ghép của hai phương pháp trên.

So với tín hiệu AM thuần túy, thì tín hiệu SSB-AM chỉ chiếm dụng phổ bằng một nửa, tức WSSB-AM = B.

Tuy nhiên, giải pháp kỹ thuật ở cả thiết bị phát, cũng như phía thu, đều phức tạp hơn.

Vì thế, tín hiệu SSB-AM, chỉ được sử dụng cho mục đích quân sự.

4. Điều chế biên độ - dải biên rớt(Vestigial SideBand – VSB)(Vestigial SideBand – VSB)

Trong kỹ thuật truyền hình, để truyền tải hình ảnh bằng điều biên Trong kỹ thuật truyền hình, để truyền tải hình ảnh bằng điều biên AM hoặc DSB-SC, phổ tần số của nó quá rộng W = 2 x 4,2 = 8,4 MHz.AM hoặc DSB-SC, phổ tần số của nó quá rộng W = 2 x 4,2 = 8,4 MHz.

Nếu sử dụng SSB-AM, thì giải pháp kỹ thuật lại quá phức tạp, giá Nếu sử dụng SSB-AM, thì giải pháp kỹ thuật lại quá phức tạp, giá thành đắt. thành đắt.

Vì vậy, người ta sử dụng giải pháp Vì vậy, người ta sử dụng giải pháp điều biên rớt điều biên rớt

Tín hiệu VSB có thể thực hiện từ tín hiệu AM hoặc DSB-SC, nhờ Tín hiệu VSB có thể thực hiện từ tín hiệu AM hoặc DSB-SC, nhờ một mạch lọc giải thông đặc biệt, gọi là một mạch lọc giải thông đặc biệt, gọi là mạch lọc biên rớtmạch lọc biên rớt. .

Mạch lọc biên rớt có tác dụng làm giảm (cắt cụt) phần lớn phổ biên Mạch lọc biên rớt có tác dụng làm giảm (cắt cụt) phần lớn phổ biên tần dưới. tần dưới.

Phổ tín hiệu VSB Tín hiệu VSB được biểu diễn Tín hiệu VSB được biểu diễn

bằng biểu thức: bằng biểu thức: ssVSBVSB(t) = u(t) = uAMAM(t)*h(t)(t)*h(t)

- u- uAMAM(t) là tín hiệu điều biên AM,(t) là tín hiệu điều biên AM,

- h(t) là đáp ứng xung của mạch - h(t) là đáp ứng xung của mạch lọc biên rớt, lọc biên rớt,

- dấu * ở đây chỉ phép tích chập.- dấu * ở đây chỉ phép tích chập.

Phổ tín hiệu VSB xác định bằng Phổ tín hiệu VSB xác định bằng biểu thức: biểu thức: SSVSBVSB(f) = S(f) = SAMAM(f) . H(f)(f) . H(f)

- S- SAMAM(f) - phổ biên độ - tần số của (f) - phổ biên độ - tần số của

tín hiệu AM, tín hiệu AM,

- H(f) là hàm truyền của mạch lọc - H(f) là hàm truyền của mạch lọc biên rớt.biên rớt.

5. Mạch điều chế biên độ

Điều chế biên độ là một quá trình phi tuyến, Điều chế biên độ là một quá trình phi tuyến, các mạch điều chế được phân chia thành các các mạch điều chế được phân chia thành các dạng sau:dạng sau:

- Mạch điều chế nhân

- Mạch điều chế bậc hai

- Mạch điều chế cân bằng

- Mạch điều chế SSB

a. Mạch điều chế nhân

Điều chế độ AM, để có tín hiệu xc(t)=Accoswct+μx(t)Accoswct, mạch điều chế gồm các khối nhân và cộng.

Với điều chế DSB, sơ đồ mạch tương tự nhưng chỉ có khối nhân thuần tuý xc(t) = x(t).Accoswct.

Một dạng khác của mạch điều chế nhân là phương pháp điều khiển độ hỗ dẫn của các phân tử tích cực, như mạch nhân dùng BJT

b. Mạch điều chế bậc hai

c. Mạch điều chế cân bằng

Trong thực tế, không có phần tử phi tuyến nào là bậc 2 thuần tuý,

Để tạo tín hiệu DSB và triệt tiêu các thành phần bậc 1 và bậc 3, ta dùng hai mạch AM ghép đối xứng, gọi là mạch điều chế cân bằng (balanced modulator)

Hai mạch điều chế AM giống nhau, cùng có thành phần sóng mang Accoswct. Tín hiệu tin tức x(t) được đảo pha và đặt vào hai ngõ vào với pha ngược nhau.

Mạch cộng vi sai cho phép triệt tiêu thành phần sóng mang, ngõ ra nhận được x(t)Accoswct là tín hiệu DSB.

d. Mạch điều chế SSB

6. Giải điều chế tín hiệu biên độ

a. Đổi tần

b. Tách sóng đồng bộ (Synchronous Detection)

c. Tách sóng đường bao (envelope detection)

a. Đổi tần

Phần tử căn bản của mạch đổi Phần tử căn bản của mạch đổi tần là khối nhân tín hiệu. tần là khối nhân tín hiệu.

Nếu Nếu f1 ≠ f2f1 ≠ f2, mạch nhân tạo ra , mạch nhân tạo ra thành phần tần số tổng (f1+ f2 ) thành phần tần số tổng (f1+ f2 ) và hiệu (f1 – f2).và hiệu (f1 – f2).

Mạch lọc tần số cho phép chọn Mạch lọc tần số cho phép chọn lựa thành phần tần số mong lựa thành phần tần số mong muốn, ta có muốn, ta có mạch đổi tần lênmạch đổi tần lên (up-converter)(up-converter) hoặc mạch đổi hoặc mạch đổi tần xuống tần xuống (down-converter)(down-converter)..

Phương pháp đổi tần như trên Phương pháp đổi tần như trên được gọi là được gọi là phương pháp phương pháp ngoại sai ngoại sai (heretodyne)(heretodyne)..

b. Tách sóng đồng bộ (Synchronous Detection)

Mạch tách sóng này cũng gồm một mạch nhân.

Tín hiệu thu (đã điều chế) được nhân với tín hiệu dao động nội, sau đó được lọc thông thấp với băng thông bằng dải tần số W của tín hiệu tin tức.

Khi tín hiệu dao động nội được đồng bộ hoàn toàn về tần số và về pha với sóng mang, ta có mạch tách sóng đồng bộ.

c. Tách sóng đường bao (envelope detection)

Mạch tách sóng đường bao được sử dụng thường xuyên cho giải điều chế AM, vì cấu trúc mạch rất đơn giản.

Điều kiện của mạch tách sóng là:

W << 1/ R1C1 <<fc

Với các kiểu điều chế triệt sóng mang (DSB hoặc SSB), ta phải dùng mạch tạo sóng mang để tái tạo biên độ tín hiệu, sau đó mới dùng mạch tách sóng đường bao,

Phương pháp này cần sự đồng bộ giữa tín hiệu dao động nội với sóng mang

III. ĐIỀU CHẾ TẦN SỐ - ĐIỀU CHẾ PHA

Tín hiệu điều chế tần số (Frequency Modulation – FM) cũng như tín hiệu điều pha (Phase Modulation - PM), gọi chung là tín hiệu điều chế góc, hay điều chế hàm mũ, có những đặc trưng:

- Phổ tín hiệu đã điều chế không cùng dạng với phổ của tin tức.

- Băng thông phổ tín hiệu điều chế lớn hơn nhiều lần băng thông tin tức.

- Chất lượng tín hiệu (tỉ số S/N) được cải thiện mà không cần tăng công suất phát.

1. Điều chế tần số - FM

Thường dùng mạch VCO (Voltage Controlled Oscillator), là mạch tạo dao động, mà tần số được điều khiển bởi điện áp ngoài.

Khi có tín hiệu điều chế s(t) tác động vào, tần số tức thời do VCO tạo ra, được xác định bằng biểu thức:

f(t) = fc + as(t); a là hệ số tỉ lệ.

Quy luật biến thiên của tần số tức thời f(t) hoàn toàn phù hợp theo quy luật biến thiên của tín hiệu đem điều chế s(t).

2. Phổ biên độ - tần số của tín hiệu FM

Khoảng chiếm dụng của phổ tần số theo giá trị m càng lớn, thì W càng rộng.

WFM =2(m + 2)B B là bề rộng phổ của tín hiệu tin tức đem điều chế.

Khi tín hiệu s(t) có nhiều thành phần tần số, thì mỗi thành phần tần số sẽ cho một chỉ số điều chế m tương ứng, cùng với một hình ảnh phổ tương ứng.

Phổ chung của tín hiệu nhiều thành phần là sự xếp chồng của các phổ thành phần.

3. Điều chế pha - PM

Khi pha tức thời Ф(t) biến thiên tỷ lệ với tín hiệu tin tức s(t) ta có tín hiệu điều chế pha (Phase Modulation - PM).

Ta thấy, tín hiệu PM và FM đều có pha và tần số biến thiên theo thời gian và có cùng bản chất giống nhau.

Do đó trong thực tế rất khó phân biệt tín hiệu nào là PM và FM.

So sánh mối quan hệ giữa điều chế tần số và điều chế pha

4. Mạch điều chế FM - PM

Mạch điều chế FM trực tiếpMạch điều chế FM trực tiếp

Mạch điều chế PM và điều chế FM gián tiếpMạch điều chế PM và điều chế FM gián tiếp

a. Mạch điều chế FM trực tiếpa. Mạch điều chế FM trực tiếp Dùng một bộ dao động VCO

có tần số dao động phụ thuộc điện áp điều khiển bên ngoài.

Mạch dùng một phần tử diode biến dung (varactor) cùng với mạch cộng hưởng LC

Trong đó C0 là điện dung tĩnh ban đầu của mạch (gồm C1 mắc song song với điện dung tĩnh của varactor)

b. Mạch điều chế PM và FM gián tiếp

Phương pháp điều chế PM ít Phương pháp điều chế PM ít được sử dụng trong thực tế, được sử dụng trong thực tế, nhưng kiểu mạch điều chế PM lại nhưng kiểu mạch điều chế PM lại được dùng như một khối bổ trợ được dùng như một khối bổ trợ nhờ các đặc điểm sau:nhờ các đặc điểm sau:

- Việc thi công, đo đạc mạch - Việc thi công, đo đạc mạch tương đối đơn giản.tương đối đơn giản.

- Sóng mang thường được tạo - Sóng mang thường được tạo ra nhờ mạch dao động thạch anh, ra nhờ mạch dao động thạch anh, có sự ổn định tần số,có sự ổn định tần số,

- Sử dụng kết hợp giữa mạch - Sử dụng kết hợp giữa mạch điều chế PM với mạch tích phân điều chế PM với mạch tích phân tín hiệu tin tức sẽ cho tín hiệu tín hiệu tin tức sẽ cho tín hiệu tương đương điều chế FM.tương đương điều chế FM.

5. Giải điều chế tần số

Mạch giải điều chế tần số cung cấp một tín hiệu ở ngõ ra biến thiên tỉ lệ tuyến tính với tần số tức thời của tín hiệu ngõ vào.

Một số mạch giải điều chế tần số thông dụng sau đây:

Chuyển đổi FM thành AM (FM – to – AM conversion)

Tách sóng FM phân biệt (phase – shift discrimination)

Tách sóng điểm không (zero-crossing detector)

Tách sóng dùng vòng khoá pha (PLL: Phase – Locked Loop)