Bài giảng nhập môn điện tử - Chương 3: Điều chế

Trường Đại Học Công Nghệ Thông TinKHOA MẠNG & TRUYỀN THÔNGBÀI GIẢNG NHẬP MÔN ĐIỆN TỬ THÁNG 9/20121CHƯƠNG 3: ĐIỀU CHẾKhái niệmĐiều biênĐiều chế đơn biênĐiều tần - Điều phaKhái niệm Điều chế là quá trình thực hiện chuyển phổ của tín hiệu tin tức lên vùng có tần số cao hơn để bức xạ truyền đi xa (nhờ biến đổi một thông số nào đó như biên độ, tần số, góc pha, độ rộng xung).- Tin tức được gọi là tín hiệu điều chế.- Dao động cao tần được gọi là tải tin hay tải tần.- Dao động cao tần mang tin tức gọi là dao động cao tần đã điều chế.Phân loại tín hiệu điều chế: - Điều biên - Điều chế góc: điều tần và điều pha Điều biên là quá trình làm cho biên độ tải tín hiệu biến đổi theo tin tức.Điều biên Giả thiết, dao động là điều hoà và tần số tin tức biến thiên từ ωSmin÷ ωSmax: us(t) = Us.cos(ωs.t) – tín hiệu tin tức ut (t)= Ut.cos(ωt .t) – tín hiệu tải tin với ωt >> ωSTín hiệu điều biên: uđb (t)= [Ut + Us. cos(ωs.t)]. cosωt.t = Ut [1 +m cos(ωs.t)]. cosωt.t Với m= Us / Ut : Hệ số điều chế phải thoả mãn điều kiện m ≤ 1. Khi m > 1 thì mạch có hiện tượng quá điều chế làm cho tín hiệu bị méo trầm trọng.Suy ra:uđb (t)= Utcos(ωt t)+ m/2.Utcos(ωt +ωs)t+ m/2.Utcos(ωt -ωs)t Như vậy, ngoài thành phần tải tin, tín hiệu điều khiển còn có hai biên tần. Biên tần trên có tần số từ (ω1 + ωSmin) đến (ω1 + ωSmax) và biên tần dưới từ (ω1 - ωSmin) đến ( ω1 - ωSmax). Sóng mang Dải băng tần thấp Dải băng tần caoPhổ của tin tứcPhổ của tín hiệu điều biênĐồ thị thời gian của tin tức và tín hiệuđiều biên khi m 1Trên thực tế. khi điều chế thường chọn m= 0.9  0.95Quan hệ năng lượng trong điều biênTrong tín hiệu điều biên, các biên tần chứa tin tức, còn tải tin không mang tin tức. Năng lượng được phân bố trong tín hiệu điều biên:Công suất của tải tin là công suất trung bình trong một chu kỳ tải tin:Công suất biên tần:Công suất của tín hiệu đã điều biên là công suất trung bình trong một chu kỳ của tín hiệu điều chế:Hệ số điều chế m càng lớn thì công suất tín hiệu đã điều biên càng lớn. Khi m =1:Các chỉ tiêu cơ bản của tín hiệu điều biêna. Hệ số méo phi tuyến:: là biên độ dòng điện ứng với hài bậc cao của tín hiệu điều chế.: là biên độ của các thành phần biên tần (thành phần sóng cơ bản).Để giảm méo phi tuyến (K) buộc phải giảm độ sâu điều chế (m).b. Hệ số méo tần số:Để đánh giá ta dựa vào đặc tuyến biên độ - tần số:Hệ số méo tần số xác định theo biểu thức:m0 : hệ số điều chế lớn nhấtm : hệ số điều chế tại tần số đang xét§Æc tuyÕn biªn ®é- tÇn sèC¸c m¹ch ®iÒu biªn ®ưîc x©y dùng dùa vào hai nguyªn t¾c sau ®©y:- Dïng c¸c phÇn tö phi tuyÕn: céng t¶i tin với tÝn hiÖu ®iÒu chÕ trªn ®Æc tuyÕn cña phÇn tö phi tuyÕn ®ã.- Dïng phÇn tö tuyÕn tÝnh cã tham sè ®iÒu khiÓn ®ưîc: nh©n t¶i tin với tÝn hiÖu ®iÒu chÕ nhê phÇn tö tuyÕn tÝnh ®ã.Các mạch điều biên:Các kiểu điều biên: điều biên cân bằng, điều biên vòng, điều biên đơn. Mạch điều biên cân bằng có ưu điểm giảm được méo phi tuyến. Mạch điều biên đơn chỉ dùng một phần trở tích cực như điốt hoặc tranzito.Mạch điều biên cân bằng: có ưu điểm giảm được méo phi tuyếnu1 = Utcosωtt + Uscosωstu2 = Utcosωtt - Uscosωsti1 =a0 + a1. u1+ a2. u12+ a3. u13+...i2=a0 + a1. u2+ a2. u22+ a3. u23+...Dòng điện ra tải i = i1 - i2A= Us[2a1 + 3a3Ut2 + (a3/2) Us2]B= (a3/2) Us3C= 2 a2UsUtD= 3/2 a3UsUti= Acosωst + Bcos3ωst + C[cos(ωt +ωs)t + cos(ωt - ωs)t]+ + D[cos(2ωt +ωs)t +cos(2ωt - ωs)t]Với:Mạch điều biên vòng: thực chất là hai mạch điều chế cân bằng chung tải.Gọi : iI là dòng điện ra của mạch điều chế cân bằng Đ1, Đ2 iII là dòng điện ra của mạch điều chế cân bằng Đ3, Đ4iđb = iI + iII = 2.C.[cos(ωt+ωS)t+ cos(ωt− ωS)t]Điều chế vòng cho méo phi tuyến nhỏ nhất vì nó khử được các hài bậc lẻ của ωS và các biên tần 2ωt .Điều biên đơnKhái niệm: là quá trình điều chế nhằm tạo ra một dải biên tần. Ta biết, phổ của tín hiệu điều biên gồm tải tần và hai biên tần, trong đó biên tần mang tin tức. Vì hai dải biên tần mang tin tức như nhau nên chỉ cần truyền đi một biên tần là đủ thông tin về tin tức; còn tải tần chỉ dùng để tách sóng, có thể nén toàn bộ hoặc một phần trước khi truyền đi. Điều biên đơn tuy tốn kém nhưng có các ưu điểm sau:- Độ rộng tải tần giảm một nửa.- Công suất bức xạ yêu cầu thấp hơn cùng với một cự ly thông tin.- Tạp âm đầu thu giảm do giải tần của tín hiệu hẹp hơn.Biểu thức: uđb = m/2Ut(cos(ωt +ωs)tm=Us/Ut : hệ số nén tải tin, m có thể nhận các giá trị từ 0 ÷ ∞Các phương pháp điều chế đơn biên: - Phương pháp lọc - Phương pháp quay pha - Phương pháp kết hợp lọc và quay pha Sơ đồ khối mạch điều chế đơn biên bằng phương pháp lọcPhổ của tín hiệu vàoPhổ của tín hiệu điều chế cân bằng 1Phổ của tín hiệu đầu ra bộ lọc 1Phổ của tín hiệu đầu ra bộ lọc 2Phổ của tín hiệu ra của các khối theo sơ đồ phương pháp lọc đơn biênSơ đồ điều chế đơn biên theo phương pháp quay phaSơ đồ điều chế đơn biên theo phương pháp kết hợp lọc và quay phaPhổ tín hiệu ra theo phương pháp kết hợp lọc và quay phaĐiều tần và điều pha Điều tần và điều pha là ghi tin tức vào tải tin làm cho tần số hoặc pha tức thời của tải tin biến thiên theo dạng tín hiệu điều chế.Quan hệ giữa tần số và góc pha của một dao động:Tín hiệu điều hòa có dạng: ut(t) = Utcos(ωtt + ϕ0) = Utcosψ(t) Giả thiết tín hiệu điều chế là đơn âm: us(t) =UscosωstKhi điều chế tần số hoặc điều chế pha thì tần số hoặc góc pha của dao động cao tần biến thiên tỷ lệ với tín hiệu điều chếω(t)= ωt + Kđt. Uscosωst =ωt + Δωm. Uscosωstφ(t)= φ0 + Kđp.Uscosωst=φ0 + Δφm. UscosωstΔωm: lượng di tần cực đại; Δφm: lượng di pha cực đạiKhi điều chế tần số góc pha đầu không đổi nên ϕ(t) = ϕ0uđt(t) = Utcos(ωtt +Δωm/ωs.sinωst +ϕ0)uđp(t) = Utcos(ωtt +Δωm.cosωst +ϕ0)Lượng di pha đạt được khi điều pha Δφ = Δφm cosωttLượng di tần tương ứng Δω = Δφm .ωs. sinωstMạch điều tần Nguyên tắc thực hiện điều tần trong các bộ tạo dao động là làm biến đổi trị số điện kháng của bộ tạo dao động theo điện áp đặt vào. Phương pháp phổ biến nhất là dùng điốt biến dung (varicap) và tranzito điện kháng.a) Mạch điều tần trực tiếp dùng điốt biến dung:k là hệ số tỷ lệ.φk là hiệu điện thế tiếp xúc mặt ghép, với điốt Silic φk ≈ 0,7 Vγ là hệ số phụ thuộc vật liệuTần số dao động của mạchĐiện áp đặt lên điốt: uD=ut−uS−E0=Ut.cosωtt−US.cosωSt−E0Để điốt luôn được phân cực ngược cần thoả mãn điều kiện: uD= uDmin=| -Ut - Us - E0 | ≤ ungcphepNguyên lý hoạt động: khi có điện áp tin tức us tác động vào nó sẽ tác động một điện áp ngược lên điốt biến dung D và từ đó giá trị điện dung của điốt sẽ thay đổi làm cho tần số cộng hưởng của mạch thay đổi.Đặc điểm:- Chỉ phân cực ngược cho điốt để tránh ảnh hưởng của RD đến phẩm chất của hệ tạo dao động nghĩa là đến độ ổn định tần số của mạch. - Phải hạn chế khu vực làm việc trong đoạn tuyến tính của đặc tuyến CD = f(uD) của điốt biến dung để giảm méo phi tuyến. Lượng di tần tương đối khi điều tần dùng điốt biến dung đạt được khoảng 1%. - Vì dùng điốt điều tần nên thiết bị điều tần có kích thước nhỏ. Có thể dùng điốt bán dẫn để điều tần ở tần số siêu cao, khoảng vài trăm MHz. Tuy nhiên độ tạp tán của tham số bán dẫn lớn, nên kém ổn định.b. Mạch điều tần dùng tranzito điện kháng: Phần tử điện kháng là phân áp RC. Trong đó T1 là tranzito điện kháng, T2 là tranzito dao động. Tranzito điện kháng được mắc một phần (trên L1) với hệ dao động. Cũng có thể mắc hai tranzito điện kháng thành một mạch đẩy kéo để tăng lượng di tần.Mạch điều pha theo Amstrong uđb1=Ut1(1+mcosωst)cosωtt=Ut1 cosωtt + mUt1/2[cos(ωt +ωs)t+cos(ωt - ωs)t]uđb2=Ut2(1- mcosωst)sinωtt=Ut2 sinωtt - mUt/2[sin(ωt +ωs)t+sin(ωt - ωs)t]Điện áp uđp = uđb1 + uđb2 là một dao động điều chế về pha và biên độ. Điều biên ở đây là điều biên ký sinh. Mạch có nhược điểm là lượng di pha nhỏ. Để hạn chế mức điều biên ký sinh chọn Δϕ nhỏ. Để có điều biên ký sinh nhỏ hơn 1% thì Δϕ < 0,35.