Chơng 1
Tín hiệu và các hệ thống điện tử
1.1. Khái niệm chung về tín hiệu .
Tín hiệu là biểu hiện vật lý của tin tức. Trong kỹ thuật điện tử , tin tức đợc
biến đổi thành các dao động điện từ hoặc điện từ .Nh vậy nói cách khác tín hiệu
là các dao động điện- từ có chứa tin tức . Ví dụ mirco biến đổi tiếng nói thành
một dòng điện gần nh liên tục theo thời gian ,gọi là tín hiệu âmm tần . Tín hiệu
điện từ sơ khai vừa nói trên ta gọi chung là tín hiệu sơ cấp.
Khi nghiên cứu tín hiệu ngời ta thờng biểu diễn nó là một hàm của biến thời
gian hoặc của biến tần số. Tuy nhiên biểu diễn tín hiệu ( điện áp hoặc dòng điện )
là một hàm của biến thời gian là thuận lợi và thông dụng hơn cả.
Nếu ta biểu diễn tín hiệu là hàm s(t), trong đó t là biến thời gian thì tín hiệu
có thể là tuần hoàn hoặc không tuần hoàn.
s(t) = s( t + nT);n=0,1,2 .. (1.1.)
Khi s(t) thoả mãn điều kiện (1.1) ở mọi thời điểm t thì s(t) là một tín hiệu
tuần hoàn với chu kỳ T ( ở đây T nhận giá trị nhỏ nhất).
Nếu không tìm đợc một giá trị hữu hạn của T thoả mãn (1.1) tức là T tiến tới
vô cùng ( T) thì s(t) sẽ là tín
hiệu không tuần hoàn.
Trong các tín hiệu tuần hoàn
thông dụng nhất là tín hiệu có dạng
hình sin (dao động điều hoà ) nh ở
hình 1.1.Dao động này đợc biểu
diễn bằng hàm điều hoà:

u (t) =U
m
sin(t + )
.

(1.2)

Hình 1.2.Các dạng xung thông dụng
t
u
t
u
t
u
t
u
a) b)
c)
d)
9
Ví dụ nh tiếng nói của con ngời là dao động phức tạp, gồm các tần số âm cơ bản
và các thành phần hài có biên độ và pha khác nhau. Tần số cơ bản của tiếng nói
nằm trong khoảng 80 ữ 1200 Hz và do giọng nói quyết định .
Để tìm hiểu tín hiệu, ngời ta thờng biểu diễn sự phụ thuộc biên độ và pha
của tín hiệu vào tần số bằng đồ thị . Đồ thị đó gọi tơng ứng là phổ biên độ và phổ
pha của tín hiệu
a.Phổ của tín hiệu tuần hoàn.
Nếu tín hiệu s(t) là tuần hoàn với chu kỳ T thoả mãn điều kiện:

<

+

dts(t)
(1.1)
thì có thể phân tích thành tổng của vô số các dao động điều hoà bằng (công cụ
toán) chuỗi Fourrier dạng:

k
tjk
e
.
C)t(s K
1
(1.2)
Trong đó:












=+=
=
==


k
k
kkk
T
k

=
- Tần số góc của sóng cơ bản. k = 1,2,3,4....
A
K
,
K
-tơng ứng là biên độ và pha của sóng hài bậc k.
Chuỗi (1.2) gọi là chuỗi Fourrie.Nó còn có thể biểu diễn dới dạng phức nh
(1.2). Chú ý là ,theo (1.3) : nếu s(t) là hàm chẵn các b
k
sẽ bằng 0 , nếu s(t) là
hàm lẻ thì a
k
sẽ bằng 0 .
Trong (1.2) thì
k
j
k
eC
.
C

=
gọi là biên độ phức (Chữ C
K
có dấu chấm phía
trên) của sóng hài bậc k , đợc xác định theo biểu thức (1.3) hoặc (1.3):

dt
tjk

góc pha đầu
K
.
Đồ thị biên độ A
k
(
k
)
cho ta phổ biên độ;đồ thị
Argument của A
k
-tức là

k
(
k
) cho ta phổ pha của tín
hiệu.Trong kỹ thuật ngời ta th-
ờng quan tâm đến phổ biên độ.
Ví dụ xét phổ của dãy xung vuông tuần hoàn vô hạn trên hình 1.3.a.Dãy xung
điện áp u(t) này có chu kỳ lặp T=5 àS ,độ rộng của xung là t
X
=1 àS, độ h cao của
xung là 25 Von.Ta có thể tìm phổ của tín hiệu theo công thức (1.3). hoặc (1.3).
Tín hiệu nàycó dạng hàm toán học không chẵn không lẻ nên tiện hơn là dùng
công thức (1.3).
Tần số cơ bản :

Hzf;s/rads/rad.,
.



=


=

===

















1
222
0
1
222

jk
e)ee(
T
U
jk
e)e(e
T
U
jk
e
T
U
jk
e
T
U
t
jk
e
T
U
dteU
T
dte)t(u
T
.
C
XXXXXX
X
X


2
1
1
0
1
2
2
X
tk
j
X
e
k
tk
sin
T
U




Công thức chung cho phổ đợc viết ở dạng tổng (1. 2).Theo công thức vừa
nhận đợc ta có phổ biên độ là
1
10
2
2




1

1

1

1

2
4 5
7
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
11



=
+

=

1
=2C
1
, A
2
=2C
2
..A
k
=2C
k
.
Thành phần C
0
(ứng với k=0)phải đợc tính khi đa hàm về dạng hàm
x
xsin
lim
x 0
:

T
tU
k
t
T
U
t
k
t

=
=


=


=
Khi k0 biểu thức trên đợc tính :
)
T
t
ksin(
k
U
)
t
T
ksin(
T
Tk
U
)
t
ksin(
Tk
U
C
XXX
k

Kết quả phổ biên độ trong bảng 1.1.
Hình 1.3b. là phổ biên độ của tín hiệu tuần hoàn trên.Chúng gồm những
vạch phổ biên độ theo trục tung nên ngời ta gọi là phổ vạch hoặc phổ tuyến
tính.Từ đó ta cũng thấy là với những sóng hài bậc càng cao thì biên độ càng giảm.
b.Phổ của tín hiệu không tuần hoàn. Khi tín hiệu s(t) là không tuần hoàn
thì ngời ta biểu diễn nó bằng tích phân Fourrier nh sau:
s(t)=





+

d
tj
e)j(
.
S
2
1
(1.4)
Trong đó hàm
.
S
(j) đợc xác định:
Bảng 1.1
K 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
C
k

Ta xét ý nghĩa của hàm
.
S
(j):
Biểu thức (1.4) cho ta thấy tín hiệu s(t) đợc trình bày nh một tổng của vô
số các dao động diều hoà (vì e
j

t
=cost+j sin t) với biên độ phức vô cùng bé là
:
d


= d)j(SA
..
2
1
(1.6)
Từ (1.6) ta đợc:



d
.
Ad
2
1
)j(S
=

x
X
t
j
x
x
x
t
j
t
j
t
j
tj
tj
t
e
t
t
sin
t
he
j
ee
h
j
e
hdteh)j(
.
S

t
t
sin
S




=
Trong đó S=h.t
x
là diện tích của xung.
Phổ biên độ là hàm I S(j)I =
2
2
x
x
t
t
sin
S


có dạng hình 1.4.b.
Nh vậy phổ biên độ cho ta hình ảnh phân bố của biên độ theo tần số ,tức là
sợ phân bố năng lợng của tín hiệu theo tần số .
1.2.2. Một số đặc tính của tín hiệu .
a)Trị số trung bình của tín hiệu.
Khi truyền tín hiệu trên đờng truyền thì thời gian tồn tại của tín hiệu là
s(t)

t
dt).t(s
tt
(1.8)
b)Năng lợng, công suất và trị hiệu dụng của tín hiệu.
Năng lợng W
s
của tín hiệu s(t) tồn tại trong khoảng thời gian từ t
1
đến t
2
đ-
ợc xác định nh sau :
W
S
=
dt.)t(s
t
t

2
1
2
(1.9)
Công suất trung bình P
tb
tính theo công thức :
P
tb
=

12
1
t
t
dt).t(s
tt
(1.11)
c) Dải động của tín hiệu.
Dải động của tín hiệu đặc trng cho mức của cờng độ tín hiệu tác động
lên
thiết bị. Nó là tỷ số giữa trị số cực đại và cực tiểu của công suất tín hiệu tính bằng
dexibel(dê-xi-ben - db):
D
db
= 10 lg
min
max
)t(S
)t(S
2
2
= 20 lg
min
max
)t(S
)t(S
[db] (1.12)
1.3. Các hệ thống điện tử thông dụng.
Ngày nay khó có thể tìm thấy một lĩnh vực hoạt động của con ngời mà ở
đó không có sự tham gia trực tiếp hoặc gián tiếp của các thiết bị điện tử. Một hệ

Nguồn
tin
Bộ biến
đổi
Điều chế
Kh.đại
phát
Dao động
sóng mang
Máy phát
Môi
trường
truyền
tin
Nhiễu
Mạch
vào
Kh.đại
cao tần
Trộn tần
Kh.đại
trung tần
Tách
sóng
Nhận tin
Dao động
ngoại sai
Máy thu
Hình 1.5.Sơ đồ khối của hệ thống thông tin quảng bá
Biến tần

trộn và dao động ngoại sai lập thành bộ biến tần hay đổi tần.Vì dải tần số trung
tần cố định nên khuếch đại trung tần dễ dàng thực hiện với hệ số khuếch đại lớn,
và độ chọn lọc (lọc nhiễu) cao.Nh vậy phải diễn ra quá trình đồng thời hiệu chỉnh
tần số của mạch vào , mạch khuếch đại cao tần và mạch dao động ngoại sai,goi
tất là đồng chỉnh .Trên sơ đồ khối ngời ta biểu diễn đồng chỉnh bằng đờng đứt nét
. Sau khuếch đại trung tần tín hiệu đợc tách sóng (giải điều chế -demodulation),
tức quá trình ngợc lại với quá trình điều chế để nhận đợc tín hiệu sơ cấp.Tín hiệu
này đợc khuếch đại để đa đến bộ nhận tin.
Toàn bộ các thiết bị nằm trên đờng truyền từ nguồn tin đến nơi nhận tin lập
thành một kênh thông tin.Kênh thông tin có thể là một chiêù hoặc hai chiều,có
thể là hũ tuyến hoặc vô tuyến hoặc kết hợp vô-hữu tuyến.
Hệ hthống thông tin quảng bá xây dựng theo sơ đồ khối hình1.5 có những
đặc điểm sau:
-Đặc điểm thứ nhất : đó là hệ thống hở,tín hiệu từ nơi nhận tin không thể tác
động trở lại nơi phát tin. Chất lợng truyền tin có trung thực, chính xác hay không
thì nơi phát không thể nhận biết đợc. Để nâng cao chất lợng truyền tin cần nâng
cao chất lợng của thiết bị thu và thiết bị phát độc lập nhau.
- Đặc điểm thứ hai là: Quá trình điều chế diễn ra ở máy phát còn quá trình tách
sóng ở máy thu là hai quá trình ngợc nhau nhằm tạo ra tín hiệu vô tuyến và tách
tin
tức từ tín hiệu vô tuyến.
-Đặc điểm thứ ba là: trong môi trờng truyền tin có nhiều loại nhiễu tác động
(nhiễu công nghiệp, nhiễu thiên nhiên, nhiễu do các đài phát khác tạo nên... )
nên việc khắc phục nhiễu bằng các giải pháp kỹ thuật khác nhau để tăng chất l-
ợng thông tin là vấn đề rất quan trọng.
-Đặc điểm thứ t là: phải giải quyết các vấn đề kỹ thuật cho phù hợp với từng
loại kênh thông tin. Đó là các vấn đề cần đợc lựa chọn tối u :vấn đề dạng điều
chế, công suất phát, tần số phát, khoảng cách và môi trờng truyền tin, chất lợng
máy thu ,giá thành sản phẩm...
1.3.2.Hệ thống đo lờng điện tử:

Thứ hai: Mọi cố gắng tăng độ chính xác của phép đo thờng làm tăng tính
phức tạp, giá thành của thiết bị; đồng thời sẽ có những nguyên nhân sai số mới
cần đợc quan tâm. Bộ biến đổi đầu vào ( sensor hay datchic ) là khâu quyết định
độ nhạy, độ chính xác của phép đo.
Thứ ba: Thiết bị đo có thể xây dựng theo nguyên tắc tơng tự (analog) hoặc số
(digital) tuỳ theo yêu cầu về mức chính xác. Các thiết bị đo lờng số có độ chính
xác cao và cho phép nối ghép trực tiếp thiết bị đo với hệ thống xử lý số liệu và lu
giữ thông tin đó. Với mỗi loại nguyên tắc nêu trên đều có thể áp dụng một trong
hai phơng pháp: đo trực tiếp ( trực tiếp biến đổi đại lợng cần đo để khôi phục giá
trị đo từ thông số đầu vào ) hoặc gián tiếp bằng cách so sánh với một mẫu chuẩn
trong máy đo.
Thứ t: Trong thực tế thờng phải đo cùng một lúc nhiều thông số của một quá
trình, khi đó cần có nhiều bộ cảm biến đầu vào tơng ứng làm việc chung với cùng
một kênh xử lý, gia công thông tin thu đợc từ một khối chỉ thị nhờ một bộ điều
khiển để phân chia kênh và điều chỉnh tốc độ đo.
Ngày nay trong nhiều máy đo ngời ta sử dụng bộ vi xử lý trung tâm với
những chơng trình đã đợc cài đặt sẵn để tự động thực hiện các phép đo.
1.3.3.Hệ thống tự động điều chỉnh và tự động ổn định.
Đây là một hệ thống kín đợc sử dụng rất rộng rãi trong các hệ tự động điều
chỉnh một hoặc vài thông số trong một quá trình làm việc. ở đây có đờng tín hiệu
ngợc phục vụ cho mục đích tự động hiệu chỉnh. Ví dụ xét sơ đồ khối của một hệ
tự động khống chế nhiệt độ nh trên hình 1.7
Nhiệt độ của đối tợng cần theo dõi ( ví dụ nh lò nung ) đợc biến đổi thành
tín hiệu điện U
x
thông qua bộ biến đổi rồi đợc so sánh với giá trị chuẩn U
ch
(ứng
với một mức nhiệt độ nhất định) . Tại bộ so sánh , hai tín hiệu U
x

Bộ biến
đổi
Đối tượng
cần khống

chế
Tạo tín hiệu
chuẩn
Hiển thị
kết quả
Bộ
so sánh
-Nếu độ sai lệch bằng 0 thì đối tợng đang ở trạng thái chuẩn nên không
cần
điều chỉnh, nghĩa là nhánh phản hồi không hoạt động ( nhiệt độ đo bằng nhiệt độ
chuẩn) .
-Nếu độ sai lệch khác0và có giá trị dơng tức là U = U
x
- U
ch
> 0 ( tức là t
0
x
>t
0
ch
, nhiệt độ đo lớn hơn nhiệt độ chuẩn) thì sai lệch U đợc khuếch đại và tác
động vào cơ cấu chấp hành điều chỉnh t
0
x

0
t+
0
) là dao động điều
hoà tần số cao.Sóng mang có ba tham số là biên độ U
0m
,tần số
0
=2f
0
và góc pha
đầu
0
, nên có ba cách điều chế là điều chế biên độ, điều chế tần số và điều chế
pha, cho tơng ứng ba tín hiệu là tín hiệu điều biên, tín hiệu điều tần và tín hiệu
điều pha.
1.4.1. Tín hiệu điều biên AM(Amplitude Modulation)
Để có đợc tín hiệu điều chế biên độ(gọi tắt là tín hiệu điều biên) ta cho tín
hiệu sơ cấp u

(t) tác động lên biên độ của sóng mang u
0
(t), bắt biên độ của sóng
mang biến thiên theo quy luật của hàm sơ cấp u

(t).
a.Điều biên đơn âm.
Đầu tiên xé trờng hợp đơn giản ta với tín hiệu sơ cấp u

(t) là một dao động

) (1.14)
Theo định nghĩa tín hiệu điều biên sẽ có biểu thức:
18
u
đb
(t)
=+++=++=



)tcos()]tcos(
U
hU
[U)tcos()]t(huU[
m
m
mm 00
0
0000
1).()tcos()]tcos(m[U
m
1511
000
+++

Trong biểu thức trên h là một hằng số, biểu hiện mức độ thâm nhập của tín
hiệu sơ cấp vào sóng mang(phụ

m
+++++=
00
0
000
2
).(]t)cos[(
mU
m
161
2
00
0

++

Biểu thức (1.16) cho ta thấy trong tín hiệu điều biên có ba thành phần:thành
phần thứ nhất là sóng mang tần số góc
0
, biên độ U
0m
,thành phần thứ hai có tần
số góc (
0
+ ) biên độ
2
0m
mU
gọi là thành phần biên trên,thành phần thứ ba -
biên dới có tần số góc (

thực hiện các biến đổi toán học tơng tự ta có biểu thức của tín hiệu điều biên là :

)t)cos[(Um)tcos(U)t(u
ii
i
mimdb
+++++=

000000
2
1
+
s

(t)
t
a)
u
0
(t)
t
b)

u
đb
(t)
t
c)