Bài giảng Nhập môn điện tử - Chương 11: Tổng quan về hệ thống thu phát vô tuyến

Trường Đại Học Cụng Nghệ Thụng TinKHOA MẠNG & TRUYỀN THễNGCHƯƠNG 11Tổng quan về hệ thống thu phỏt vụ tuyến THÁNG 9/20121Chương 11: Tổng quan về hệ thống thu phỏt vụ tuyếnCỏc khỏi niệm cơ bảnMỏy phỏtMỏy thu21. Cỏc khỏi niệm cơ bản 3Hệ THốNG THIếT Bị THU PHáTMáy phátTxMôi trường truyềnMáy thuRxNhiễuTín hiệu vào:âm thanh, dư liệu, hinh ảnhTín hiệu raSơ đồ khối của hệ thống thiết bị thu phátNhiễuNhiễu4+ 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: Phương tiện để truyền thông tin, có thể là dây dẫn (gọi là hữu tuyến như cáp đồng trục, cáp sợi quang) hoặc là khoảng không gian từ nơi phát đến nơi thu (gọi là vô tuyến, như trong thông tin vi ba số, thông tin vệ tinh).+ Máy thu: Tập hợp các linh kiện và mạch điện tử được thiết kế để nhận tín hiệu từ môi trường truyền, xử lý và khôi phục lại tín hiệu ban đầu. + Nhiễu: Tín hiệu ngẫu nhiên không momg muốn, xen lẫn vào tín hiệu hữu ích, làm sai dạng tín hiệu ban đầu. Nhiễu có thể xuất hiện trong cả 3 quá trỡnh phát, truyền dẫn và thu. Do đó việc triệt nhiễu là một vấn đề quan trọng cần được quan tâm trong hệ thống thiết bị thu phát nhằm nâng cao chất lượng tín hiệu truyền dẫn.5b. máy phátĐiều chếĐổi tầnTổng hợp tần sốKĐCScao tầnTín hiệu vàoĐiều khiển số Sơ đồ khối tổng quát của máy phát6Máy thu thanh và máy thu hỡnh dân dụng thường được đổi tần 1 lần. Máy thu thông tin chuyên dụng được đổi tần 2 lần nhằm tăng độ chọn lọc và loại bỏ nhiễu tần số ảnh.Các tín hiệu ban đầu (nguyên thuỷ) dạng tương tự hay số chưa điều chế được gọi là tín hiệu băng gốc (Base Band Signals). Tín hiệu băng gốc có thể được truyền trực tiếp trong môi trường truyền như điện thoại nội bộ (Intercom), giữa các máy tính trong mạng LAN... hoặc truyền gián tiếp bằng kỹ thuật điều chế.+ Điều chế: là quá trình biến đổi một trong các thông số của sóng mang cao tần hỡnh sine (biên độ, tần số hoặc pha) tỉ lệ với tín hiệu băng gốc. Có ba loại điều chế cơ bản: điều biên AM, điều tần FM, điều pha PM và các biến thể của chúng (dạng tương tự) như SSB, DSB, (dạng số) như FSK, PSK, QPSK, MPSK...+ Đổi tần: (Trộn tần-Mixer) là quá trình dịch chuyển phổ của tín hiệu đã điều chế lên cao (ở máy phát) hoặc xuống thấp (ở máy thu) mà không thay đổi cấu trúc phổ (dạng tín hiệu) của nó để thuận tiện cho việc xử lý tín hiệu.+ Tổng hợp tần số: (Frequency Synthesizer) là bộ tạo nhiều tần số chuẩn có độ ổn định cao từ một hoặc vài tần số chuẩn của dao động thạch anh.+ Khuếch đại công suất cao tần: Khuếch đại tín hiệu đã điều chế ở tần số nào đó đến mức công suất cần thiết, lọc, phối hợp trở kháng với anten phát.+ Anten phát: là phần tử biến đổi năng lượng điện cao tần thành sóng điện từ bức xạ vào không gian.7c. máy thuKĐCT(LNA)Đổi tần1KĐTT1Đổi tần2KĐTT2Giải điều chếKĐCSAGCTổng hợp tần sốĐiều khiển sốSơ đồ khối tổng quát của máy thu8+ Anten thu: là phần tử biến đổi năng lượng sóng điện từ thành tín hiệu cao tần ở ngõ vào của máy thu, anten có tính thuận nghịch.+ Bộ khuếch đại cao tần tín hiệu nhỏ: (RFAmp) thường là bộ khuếch đại nhiễu thấp LNA (Low Noise Amplifier). Nó khuếch đại tín hiệu thu được từ anten đến mức cần thiết để đổi tần xuống trung tần.+ Bộ khuếch đại trung tần: IF Amp (Intermediate Frequency Amplifier): Bộ khuếch đại có độ chọn lọc cao, hệ số khuếch đại lớn để tăng điện áp tín hiệu đến mức cần thiết cho việc giải điều chế. ở nhiều máy thu hiện đại, nhằm tăng chất lượng, việc đổi tần được thực hiện 2 lần như hỡnh vẽ. + Giải điều chế: (Demodulation) là quá trỡnh khôi phục lại tín hiệu ban đầu (tín hiệu đưa vào điều chế ở máy phát) từ tín hiệu trung tần.+ Mạch điện tử thông tin liên quan đến tần số cao: Bộ tổng hợp tần số, Bộ điều khiển số, tải chọn lọc tần số không thuần trở, phối hợp trở kháng, anten, mạch xử lý tín hiệu... 9d. Phổ tần sốTên dải tầnTần sốBước sóngTần số cực thấp (ELF) Extremly Low Frequency(30 - 300) HzTần số tiếng (VF) Voice Frequency(300 - 3000) HzTần số rất thấp (VLF) Very Low Frequency(3 - 30)KHzTần số thấp (LF) Low Frequency(30 - 300)KHzTần số trung bình (MF) Medium Frequency(300 - 3000)KHzTần số cao (HF) High Frequency(3 - 30)MHzTần số rất cao (VHF) Very High Frequency(30 - 300)MHzTần số cực cao (UHF) Ultra High Frequency(300 - 3000)MHzTần số siêu cao (SHF) Super High Frequency(3 - 30)GHzTần số siêu cực cao (EHF) Extremly High Frequency(30 - 300)GHzVùng ánh sáng Hồng ngoại (IR) InfraredVùng ánh sáng thấy được The Visible Spectrum (Light)10Dải tần Vi ba (Microwave) có tần số từ 1GHz đến 40GHz được chia làm nhiều dải nhỏ:L Band : (1 - 2) GHzS Band : (2 - 4) GHzC Band : (4 - 8) GHzX Band : (8 - 12) GHzKu Band : (12 - 18) GHzK Band : (18 - 27) GHzKa Band : (27 - 40) GHz Việc phân loại phổ tần số ra nhiều dải tần để nâng cao hiệu quả sử dụng ở máy thu.11E. BĂng thông Băng thông là hiệu giữa tần số lớn nhất và tần số nhỏ nhất của tín hiệu. Đó là khoảng tần số mà phổ tín hiệu chiếm giữ hoặc là khoảng tần số tín hiệu được truyền từ máy phát đến máy thu. Khi tín hiệu ban đầu được điều chế lên sóng mang cao tần, phổ của tín hiệu cao tần đã điều chế chiếm giữ một băng thông quanh tần số sóng mang. Tuỳ theo kiểu điều chế mà băng thông cao tần có độ rộng khác nhau. Các kỹ thuật viễn thông hướng đến việc giảm băng thông tín hiệu truyền, giảm nhiễu, tiết kiệm phổ tần số. 12F. Các ứng dụng kỹ thuật thông tin điện tửThông tin một chiều (Simplex)- Phát thanh quảng bá AM, FM- Truyền hỡnh quảng bá- Truyền hỡnh cáp- Nhắn tinĐo xa, điều khiển xaĐịnh vị toàn cầu GPS...Thông tin hai chiều (Duplex)- Điện thoại công cộng- 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...13Định nghĩa Mỏy phỏtMáyphátMáy thuMôi trường Truyền sóngSơ đồ khối tổng quát của hệ thống thiết bị thu phát Máy phát là một thiết bị phát ra tín hiệu dưới dạng sóng điện từ được biểu diễn dưới một hình thức điều chế thích hợp, chính xác để bảo vệ các thông tin được phát đi, không bị biến dạng quá mức. Ngoài ra, các tần số hoạt động của máy phát được chọn phải có độ ổn định cao (công suất ra, tần số làm việc, độ ổn định tần số, dải tần số điều chế), phự hợp với các kênh và vùng phủ sóng theo qui định của hiệp hội thông tin quốc tế (ITV).14Theo công dụngPhân loại PhátThông tinPhátChg trỡnhPhátứng dụngMáy phátRađaPháthỡnhĐo khcáchPhátthanhCố địnhDiđộngPhân loại máy phát theo công dụng15+ Phát thanh:3KHz 30KHz (100Km 10Km): đài phát sóng cực dài VLW30KHz 300KHz (10Km 1Km): đài phát sóng dài LW300KHz 3000KHz (1Km 100m): đài phát sóng trung MW3MHz 30MHz (100m 10m): đài phát sóng ngắn SW+ Phát hình:30MHz 300MHz (10m 1m): đài phát sóng mét300MHz 3000MHz (1m 0,1m): đài phát sóng dmThông tin Vi ba và Rađa:3GHz 30GHz (0,1m 0,01m): đài phát sóng cm30GHz 300GHz (0,01m 0,001m): đài phát sóng mm Theo tần số16Theo phương pháp điều chế+ Máy phát điều biên (AM)+ Máy phát đơn biên (SSB)+ Máy phát điều tần (FM) và máy phát điều tần âm thanh nổi (FM Stereo)+ Máy phát điều xung (PM)+ Máy phát khoá dịch biên độ ASK, QAM+ Máy phát khoá dịch pha PSK, QPSK+ Máy phát khoá dịch tần FSK...Theo công suất+ Máy phát công suất nhỏ Pra 1000KW Trong các máy phát công suất nhỏ và trung bình sử dụng: BJT, FET, MOSFET công suất; công suất lớn và cực lớn: các loại đèn điện tử đặc biệt. 17C. CÁC LOẠI MÁY PHÁTMáy phát điều biên (AM)Tiền KĐâm tầnKĐCSÂTKĐCSCTMạch raTBị an toàn&làm nguộiKhối chủ sóngTiền KĐCao tầnNguồnCung cấpSơ đồ khối tổng quát của máy phát điều biên AM18+ Tiền khuếch đại âm tần: Có nhiệm vụ khuếch đại điện áp tín hiệu vào đến mức cần thiết để đưa vào tầng khuếch đại công suất âm tần (KĐCSÂT). Vì đối với máy phát AM thì biên độ điện áp âm tần yêu cầu lớn để có độ điều chế sâu (m lớn) nên tầng này thường có tầng khuếch đại micro và khuếch đại điện áp mức cao.+ Khuếch đại công suất âm tần (KĐCSÂT): có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu đến mức đủ lớn để tiến hành điều chế tín hiệu cao tần. + Khối chủ sóng (Dao động): có nhiệm vụ tạo ra dao động cao tần (sóng mang) có biên độ và tần số ổn định, có tầm biến đổi tần số rộng. Muốn vậy, ta có thể dùng mạch dao động LC kết hợp với mạch tự động điều chỉnh tần số (AFC).+ Khối tiền khuếch đại cao tần (TKĐCT): có thể được dùng để nhân tần số hoặc khuếch đại dao động cao tần đến mức cần thiết để kích thích cho tần công suất làm việc. Nó còn có nhiệm vụ đệm, làm giảm ảnh hưởng của các tầng sau đến độ ổn định tần số của khối chủ sóng. Vì vậy, nó có thể có nhiều tầng: tầng đệm, tầng nhân tần và tầng tiền khuếch đại công suất cao tần (TKĐCSCT).19+ Khối khuếch đại công suất cao tần (KĐCSCT): có nhiệm vụ tạo ra công suất cần thiết theo yêu cầu công suất ra của máy phát. Công suất ra yêu cầu càng lớn thì số tầng khuếch đại trong khối KĐCSCT càng nhiều.+ Mạch ra để phối hợp trở kháng giữa tầng KĐCSCT cuối cùng và anten để có công suất ra tối ưu.+ Anten để bức xạ năng lượng cao tần của máy phát thành sóng điện từ truyền đi trong không gian.+ Nguồn cung cấp điện áp phải có công suất lớn để cung cấp cho Transistor hoặc đèn điện tử công suẩt.+ Ngoài ra, máy phát phải có thiết bị an toàn và thiết bị làm nguội.20Máy phát điều tần FM Tiền KĐâm tầnTĐKháng+ ĐC FMNhân tần KĐCSCT+mạch raTBị an toàn&làm nguộiKhối chủ sóng (DĐ)NguồnCung cấpSơ đồ khối tổng quát của máy phát điều tần FMTầng điện kháng: sử dụng các phần tử điện kháng để biến đổi tín hiệu âm tần thành điện kháng thay đổi (dung kháng hoặc cảm kháng biến thiên) để thực hiện việc điều chế FM. Phần tử điện kháng có thể là Transistor điện kháng, đèn điện kháng hoặc Varicap (điện dung biến đổi theo điện áp đặt vào Varicap).21D. Yêu cầu chung đối với mạch ghép:Phối hợp trở khángĐối với mạch ghép giữa các tầng: yêu cầu là trở kháng vào của tầng kế tiếp phản ảnh về cùng với trở kháng ra của bộ cộng hưởng tầng trước đó tạo thành trở kháng sóng tối ưu, đảm bảo công suất ra và hiệu suất của tầng này là lớn nhất. Đối với mạch công suất: việc phối hợp trở kháng giữa tầng ra của bộ khuếch đại công suất cao tần và anten nhằm đạt được công suất ra lớn nhất.Đảm bảo băng thông (B)Mạch lọc đầu ra phải đảm bảo sao cho ngoài biên biên độ không giảm quá 3dB. Mặt khác dải thông tỉ lệ nghịch với hệ số phẩm chất của khung cộng hưởng ( ). Vì vậy để đảm bảo dải thông và hệ số phẩm chất ta phải dùng nhiều bộ lọc ghép với nhau.22Đảm bảo hệ số lọc hài caoĐối với những máy phát có công suất lớn, yêu cầu các thành phần hài rất nhỏ. Do đó, mạch ghép phải bảo đảm độ suy giảm đạt yêu cầu ở những tần số hài không mong muốn. Điều chỉnh mạch ghépTrong một dải tần rộng và thay đổi độ ghép với tải để có tải tối ưu.Nói chung không thể đồng thời thoả mãn các yêu cầu trên mà tuỳ từng trường hợp cụ thể để xét yêu cầu nào là quan trọng, yêu cầu nào nào là thứ yếu. Ví dụ:+ Đối với tầng tiền khuếch đại, yêu cầu phối hợp trở kháng là chính, không yêu cầu độ chọn lọc cao, không cần hiệu suất cao nên chỉ cần dùng mạch cộng hưởng đơn.+ Đối với tầng ra, yêu cầu hiệu suất cao, độ lọc hài cao nên dùng mạch cộng hưởng phức tạp.23Tinh chỉnh anten Đối với tầng trước thỡ điện trở tải chính là điện trở vào của tầng kế tiếp sau. Còn đối với tầng cuối thỡ điện trở tải chính là điện trở của phiđơ. Thực chất phiđơ có thể là thuần trở rA , dung kháng rA-jXA , hoặc cảm kháng rA+ jXA . Nhưng chỉ khi anten thuần trở thì công suất ra anten mới lớn nhất. Muốn vậy, phải chỉnh anten cộng hưởng ở tần số làm việc bằng bộ phận tinh chỉnh. Nếu là rA-jXA thì chỉnh Lc và nếu là rA+ jXA thỡ chỉnh CcSử dụng cuộn cảm và tụ để tinh chỉnh anten24Ghép biến áp (ghép hỗ cảm)Mạch ghép tải ra bằng biến ápSơ đồ tương tương của mạch được qui về bên sơ cấpCL1rrfa25Các bước thiết kế một mạch ghép biến ápKhi thiết kế, biết trước các điều kiện: PL , tần số góc  và chọn Q1 tùy theo tần số. Tiến hành một số bước tính toán như sau:1. Biết PL, chọn tùy theo công suất yêu cầu theo bảng dưới đây: Công suất raHiệu suấtPL 30MHz) độ nhạy của máy thu thường được xác định bằng công suất chứ không phải bằng sức điện động cảm ứng trên anten.28Độ chọn lọclà khả năng chèn ép các dạng nhiễu không phải là tín hiệu cần thu. ie, độ chọn lọc là khả năng lựa chọn tín hiệu ra khỏi các loại nhiễu tồn tại ở đầu vào máy thu. Độ chọn lọc được ký hiệu: + Ao: hệ số KĐ tại tần số f0 , Af: hệ số KĐ tại tần số fĐộ chọn lọc thường được tính bằng đơn vị dBĐặc tuyến chọn lọc lý tưởng của máy thu có dạng chữ nhật, nghĩa là trong dải thông B biên độ tín hiệu không đổi. Chất lượng lặp lại tin tức Được đánh giá bằng độ méo của tín hiệu (méo phi tuyến, méo tần số, méo pha), chủ yếu là xét độ méo ở tầng khuếch đại công suất âm tần để cho tín hiệu ra loa không bị biến dạng so với tín hiệu đưa tới bộ điều chế của máy phát. Ngoài ra ta còn phải xét đến các chỉ tiêu khác của máy thu như công suất ra, dải tần số công tác, tính ổn định của biên độ và tần số. Các máy thu được phân loại tương tự như đối với máy phát.29 Máy thu khuếch đại trực tiếpLọc bằng thôngKh đại Cao TầnTừ antenGiải điều chếKĐCSÂm tầnThiết bị cuốiSơ đồ khối đơn giản của máy thu khuếch đại trực tiếpd) Máy thu đổi tầnTrộn tầnMạch vàoDđộngnộiThiết bịcuốiKĐCSâm tầnTách sóngKĐTTKĐCTKhối đổi kênhSơ đồ khối tổng quát của máy thu đổi tần30So với máy thu khuếch đại trực tiếp thì máy thu đổi tần có những ưu điểm sau đây:+ Có khả năng lựa chọn kênh thu tuỳ ý bằng các thay đổi tần số dao động nội.+ Tần số tín hiệu được hạ thấp thành tần số trung tần nên có thể dùng nhiều mạch khuếch đại trung tần để đạt hệ số khuếch đại toàn máy cao, mà vẫn bảo đảm tính ổn định cho máy thu. Số tầng trung gian không bị hạn chế (8-10).+ Do trung tần không đổi nên mạch cộng hưởng có kết cấu đơn giản, gọn, giá thành rẽ và không bị hạn chế trong máy thu. Nó thường là những mạch cộng hưởng đôi để tăng hệ số phẩm chất và tăng dải thông.+ Do tần số trung tần không đổi nên có thể sử dụng những hệ thống cộng hưởng phức tạp (như bộ lọc tập trung) để đạt được đặc tuyến tần số lý tưởng. 31e) Máy thu đổi tần AMĐể giữ cho biên độ điện áp ra gần như không đổi dước tác dụng của hiện tượng pha đinh và nhiều nguyên nhân khác nhau, ta sử dụng mạch tự động điều chỉnh độ khuếch đại AGC. Khi máy thu AM yêu cầu chất lượng cao, ta sử dụng mạch tự động điều chỉnh tần số AFC.Trộn tầnMạch vàoDđộngnộiThiết bị cuốiKĐCSâm tầnTSóngAMKĐTTKĐCTKhối đổi kênhAGCSơ đồ khối tổng quát của máy thu đổi tần AM32f) Máy thu đổi tần FMTrộn tầnMạch vàoDaođộngnộiThiết bị cuốiKĐCSâm tầnTáchsóngFMKĐTTKĐCTKhối đổi kênhAFCSơ đồ khối tổng quát của máy thu đổi tần FMVề cơ bản nó giống sơ đồ khối máy thu AM, trong đó trung tần ftt=10,7 GHz và bộ tách sóng là bộ tách sóng tần số. Để tránh hiện tượng điều biên ký sinh gây méo tín hiệu sau tách sóng, ta đặt bộ hạn chế biên độ ngay trước bộ tách sóng tần số hoặc sử dụng bộ tách sóng tỉ số vì nó có mạch hạn biên. Đối với máy thu đổi tần FM, độ ổn định tần số yêu cầu rất cao nên bắt buộc phải có mạch AFC.33g) Mạch vào của máy thuĐặc điểm chung Mạch vào là mạch điện nối liền anten với đầu vào của máy thu. Nó có đặc điểm như sau:truyền đạt tín hiệu từ anten vào máy thulà phần quan trọng quyết định chất lượng máy thuBảo đảm hệ số truyền đạt lớn và đồng đều trong cả dải băng sóng.Ví dụ băng sóng MW: 550KHz-1600KHz, vo=20uv550KHz1600KHzvo=20μv Hệ số truyền đạt đồng đều cả băng sóng MW34 Độ chọn lọc tần số, tần số lân cận, tần số trung tần, tần số ảnh phải bảo đảm chỉ tiêu đề ra.Bảo đảm thu hết băng thông cho từng đài phát.Mạch vào bao gồm 3 thành phần:+ Hệ thống cộng hưởng (đơn hoặc kép) có thể điều chỉnh đến tần số cần thu.+ Mạch ghép với nguồn tín hiệu từ anten+ Mạch ghép với tải của mạch vào (tầng khuếch đại cao tần đầu tiên)Các yêu cầu của mạch vào máy thu1 Hệ số truyền đạtLà tỉ số giữa điện áp ra của mạch vào điều chỉnh cộng hưởng ở một tần số nào đó và sức điện động cảm ứng trên anten (Ea).AMV càng lớn thì hệ số khuếch đại chung của toàn máy càng lớn.352. Độ chọn lọc3. Băng thông B4. Dải tần làm việcGọi dải tần số làm việc của máy thu là: fomin-fomax. Tần đoạn làm việc được định nghĩa như sau: Dải tần nói trên có thể được chia thành nhiều băng tần bằng cách chia thành nhiều cuộn dây cho các băng tần, mỗi băng tần tương ứng với một cuộn dây khác nhau. Tỉ số giữa fbmax và fbmin ứng với mỗi băng gọi là hệ số trùm băng.36Nhiễu trong hệ thống thông tin và trong máy thuNhiễu trong hệ thống thông tin xuất hiện trong kênh thông tin và trong cả thiết bị. Nhiễu là thành phần không mong muốn, xuất hiện ngẫu nhiên gây nhiễu với tín hiệu hữu ích. Ta không thể loại bỏ nhiễu hoàn toàn nhưng có thể giảm nhiễu bằng các biện pháp khác nhau, chẳng hạn giảm băng thông tín hiệu, tăng công suất máy phát hoặc sử dụng các bộ khuếch đại nhiễu thấp. Có hai loại nhiễu là nhiễu bên trong: xuất hiện trong bản thân thiết bị và nhiễu bên ngoài: xuất hiện trên kênh truyền. Nhiễu bên ngoàiNếu môi trường truyền dẫn là không gian thỡ nó có nhiều loại nhiễu như nhiễu do thiết bị, từ khí quyển và từ không gian.Nhiễu bên trong Nhiễu bên trong xuất hiện trong bản thân thiết bị, cả trong thành phần thụ động như điện trở, cáp và tích cực như diode, transistor, đèn điện tử. Chúng gồm nhiễu nhiệt, nhiễu bắn, nhiễu thành phần, nhiễu nhấp nháy (1/f) và nhiễu thời gian chuyển đổi.