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.
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:
1
E
E
m
c
m
≤=
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:
( )
()
minmax
minmax
minmax
minmax
VV
VV
2
VV
2
VV
+ mCosω
m
t )Sin ω
c
t
m ≤ 1
0
m > 1
e = E
c
Sin ω
c
t + m E
c
Cosω
m
t + sin ω
c
t
e = E
c
sin ω
c
t +
Và: * : gọi là sóng biên trên và có tần số là:
() ()
tSinE
m
tSinE
2
(Hz)
(
tsinE
2
m
)
mcc
ω−ω
* 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:
E
C
1/2mE
c
1/2mE
c
ω
C
+
ω
m
ω
C
-
2f
m
(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.
B
W
= (f
c
+ f
m
)
-
(f
c
- f
m
)
=
2f
m
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
2
2
2
2
22
2
1
=×==
⎥
⎦
⎤
⎢
⎣
⎡
=
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
⎝
⎛
+=++=
2
1
44
222
m
cSF
P
m
P
4
2
=
cUSF
P
m
P
4
2
= Với PSf : tần số biên dưới : PSF = fc - fm
PUSf : tần số biên trên : PUSf = fc + fmTa 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
sin
c
m
mincc
2
mincccc
ω−ω
+ω+ω++ω−ω+ω+ω+ω
=
Như vậy hệ số điều chế:
2
m
2
2
2
1t
m....mmm +++=
Và phổ sóng có dạng:
E
c
f (Hz)
f
c
f
c -
f
Pm
P
c
2
t
USBt
=
Công suất toàn sóng biên dưới:
4
Pm
P
c
2
t
LSBt
=
Công suất sóng mang:
2
2
c
E
P=
Công suất toàn sóng:
⎟
⎟
⎠
⎞
⎜
⎜
+ mCosω
m
t )sin ω
c
t
e =
tSinE
m
tSinE
m
tSinE
mccmcccc
)()(
ωωωωω
−+++
22
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
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 thơng tin về tin tức. Q 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 tồn
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:
Đây là dạng phổ của SSB
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
q 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
f2
f ff
f
X
=
+ − −
=
Δ
=
f
ĐCCB
1
Lọc 1
ĐCCB
2
Lọc 2
1
ĐCCB
n
Lọc
n
Dao động
1
ĐCCB
2
Dao động
2
Dao động
n
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
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 đến khi nào ta đạt
được tần số làm việc f0.
f
f
f
f
V
1
2. Phương pháp quay pha:
Đây là phương pháp khá phức tạp và khó nhưng cho kết quả khơng cao,
người ta gần như khơng sử dụng nữa. Trong luận văn tốt nghiệp này; người làm
xin được khơng trình bày.
f
+f
mi
f
1
+f
ma
f
1
+f
min
f
1
+f
max
2Δ
f
2
- f
1
-f
min
= 2f
1
+ 2f
min
f
2
f
2
- f
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 cơng suất phát
sóng, tức là điện cực trước cực thu của transistor khuếch đại cơng suất cao tần phát
cơng 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 thốt
là cổng hay nguồn.
Ưu điểm của kỹ thuật điều biên mức thấp là khơng u cầu cơng 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 cơng suất cao tần phát sóng tức là ở
ngay cực thu của transistor cơng suất cao tần anode đèn khuếch đại cơng suất cao
tần hay cực thốt transistor trường khuếch đại cơng suất cao tần. Nhược điểm của
kỹ thuật này là phải có cơng 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:
R
1
C
1
R
2
Sóng mang
E
c
R
tải
R
C1
Tín hiệu điều biến : em = Emcos(mt
Mạch điều biến cực phát:
Sóng mang ec = Ecsin(ct
t
Điện áp tại cực thu Vc:
Sóng đã điều biến tại ngõ ra:
t
t
Tín hiệu điều biến
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
C
L
Q
1
R
a
n
2
n
1
V
OC
n
1
= n
2
e
m
(t) = E
m
CosW
m
t
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 :
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 cơng 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 cơng
suất tương ứng với sự phân bố cơng suất.
Sóng đã điều
biến
Sóng mang
e
c
= E
c
Sinω
c
t
chưa điều biến
C
th
C
th
: tụ điện trung hoà chống dao động
11
2
1
CL
f
c
π
=
V
CE bh
= 0 V
t
CE
2V
CC
V
CC
cú th iu bin sõu hn vi tớn hiu gc ớt mộo, ta cú th s dng
mch iu bin ng thi cc khin v cc thu sau õy:
Anten
ủaừ ủieu
Tớn hiu iu bin ó c a vo cc thu ca hai transistor khuch i
cụng sut cao tn phỏt súng Q2 v Q3 v cc thu ca transistor khuch i súng
cao tn Q1. Nh vy, cỏc cc khin ca Q2 v Q3 l cỏc súng ó iu biờn mt
phn phỏt ra t Q1. Cỏc súng ny li c iu bin tn th hai bi cựng mt tớn
hiu ti cỏc cc khin v cc thu ca Q1 v Q3. Mch ny ớt lm mộo tớn hiu
iu bin v súng c iu bin vi t l cao hn.
3. Vi mch iu bin:
Vi mch to hm cú th dựng lm mch iu biờn phự hp vi cỏc c
tớnh mỏy phỏt tn s rt n nh, rt ớt gõy mộo tớn hiu iu bin, nu gn nh v
thit k gin n.
Tuy nhiờn cú nhc im l cụng sut ra thp, phm vi tn s hu ớch hp.
Mt trong cỏc vi mch to hm n khi l vi mch XR 2206 ca
EXAR CORPORATION, cú th to cỏc súng Sin, vuụng, tam giỏc, to hm dc
vi chớnh xỏc v n nh cao.
Ngừ ra súng li cú th iu khin bin tn s hay biờn . Tn s lm vic
trong phm vi t 0,01Hz ( 1MHz.
III. K THUT IU BIN GểC:
Súng cao tn cú ba c tớnh cú th thay i c l biờn , tn s v gúc
pha. Phn trờn ó trỡnh by v k thut iu bin biờn . Trong phn ny s tip
tc trỡnh by v k thut iu bin tn s v k thut iu bin gúc pha (gi tt l
k thut iu tn FM v k thut iu pha PM). õy l nhng dng ca k thut
iu bin gúc.
ỏ
e
C
= E
C
Sin
hay : (Hz)
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: 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) = K
f
.e
m
(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:
ccm
=
ω
+
θ
[
)(tt
c
]
θω
)(
)/)((
'
Hz
t
tf
sradt
t
π
θ
θω
2
=Δ
=Δ
θ(t) = K
p
.e
m
(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
Hai phương pháp điều chế này có thể tìm được biểu thức tổng qt sóng
điều biên góc trong trường hợp tín hiệu điều biến dạng sin từ bảng tổng kết sau
đây:
biến pha PM
Mạch vi phân
Mạch điều biến
tần số FM
e
m
(t)
∫
dt)t(e
m
Sóng
điều
tần (FM)
Mạch tích phân
Mạch điều biến
pha (PM)
e
m
(t)
Copyright: Tài liệu đại học ©