9
Ch-ơng 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 đ-ợc
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 ng-ời ta th-ờng 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 đ-ợc 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 đ-ợc biểu
diễn bằng hàm điều hoà:u (t) =U
m

u
t
u
t
u
a) b)
c)
d)
10
Ví dụ nh- tiếng nói của con ng-ời 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
1200 Hz và do giọng nói quyết định .
Để tìm hiểu tín hiệu, ng-ời ta th-ờng biểu diễn sự phụ thuộc biên độ và
pha của tín hiệu vào tần số bằng đồ thị . Đồ thị đó gọi t-ơng 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:

)tk(cosAA
)tksinbtkcosa(As(t)

C)t(s K
1
(1.2)
Trong đó:

















k
k
kkk
T
k
T
k
T
a

,
K
-t-ơng ứng là biên độ và pha của sóng hài bậc k.
Chuỗi (1.2) gọi là chuỗi Fourrie.Nó còn có thể biểu diễn d-ới 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 , đ-ợc xác định theo biểu thức (1.3) hoặc (1.3): dt
tjk
e)t(s
T
T
T

.
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 ng-ời 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
S ,độ rộng của xung là t
X
=1 S, 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.,
.
T

























1
222
0
1
222
0

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
X

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




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
















k
)tk(j
k
k
tjkj
k
k
tjk
k
kk
eCeeCe
.
C)t(s
111
.
Biểu thức này triển khai theo công thức Ơle với k=0, 1 , 2 , 3 ta
thấy phần hàm sin bị triệt tiêu,chỉ còn phần hàm cosin có biên độ gấp 2 lần nên
C

k
t
T
U
t
k
t
ksin
t
T
U
Tk
t
ksinU
C
X
X
X
X
X
X
00
1
1
0
1
10
0
02
2

t
ksin(
Tk
U
C
XXX
k








00
1
1
0
2
2
2
2
2
2
Theo số liệu cho trên t
X
/T=1/5=0,2 nên
)k,sin(
k

.
S
(j) đ-ợc xác định:
Bảng 1.1
K 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
C
k
5 4,677 3,784 2,223 1,169 0 -0,779 -1,081 -
0,946
-
0,519
0
A
k
5 9,354 7,568 4,443 2,238 0 -1,558 -2,162 -
1,892
-
1,038
0
IA
k
I
5 9,354 7,568 4,443 2,238 0 1,558 2,162 1,892 1,038 0
13








d
.
Ad
2
1
)j(S


(1.7)
Quan hệ (1.7) cho thấy
.
S
(j) là mật độ của biên độ
phức .
Đồ thị modun và Argument
của
.
S
(j) cho ta t-ơng ứng phổ
biên độ và phổ pha của tín hiệu.
Ví dụ,tìm phổ của xung vuông
hình 1.4a có thời gian tồn tại từ
0 đến t
X
với độ cao h.
22
22
0
2

j
ee
h
j
e
hdteh)j(
.
S




















2
2



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 l-ợng 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 đ-ờng truyền thì thời gian tồn tại của tín hiệu là
s(t)
0 t t
X
h
a)
b)
Hình 1.4 a) xung vuông và b) dạng phổ của nó

)
(
S

x
t

2
14
thời gian kênh thông tin bị chiếm dụng. Nếu tín hiệu s(t) tồn tại trong khoảng thời
gian từ t
1
đến t
2

1
2
(1.9)
Công suất trung bình P
tb
tính theo công thức :
P
tb
=
12
2
12
2
1
1
tt
W
dt.)t(s
tt
S
t
t




(1.10)
Trị số hiệu dụng S
hd
của tín hiệu xác định theo biểu thức

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 ng-ời mà ở
đó không có sự tham gia trực tiếp hoặc gián tiếp của các thiết bị điện tử. Một hệ
thống điện tử nh- vậy đ-ợc thiết kế để giải quyết một hoặc nhiều chức năng nh-
truyền tin tức, âm nhạc, hình ảnh, thực hiện tính toán, đo đạc, điều khiển tự động
vv Có thể dựa vào những đặc điểm chung nhất để phân chia các hệ thống điện
tử thành hai dạng :
- Hệ thống hở, trong đó thông tin chỉ truyền đi theo một chiều nhất định .
- Hệ thống kín thì ng-ợc lại, thông tin truyền theo cả hai chiều và chúng
liên hệ chặt chẽ với nhau, đặc biệt ở đây là thông tin truyền theo chiều ng-ợc có
vai trò quyết định đ-a hệ thống kín đến một trạng thái làm việc tối -u.
Theo chức năng xử lý tín hiệu ta có thể chia các hệ thống điện tử thành ba
loại nh- sau :
1.3.1.Hệ thống thông tin quảng bá.
15
Đây là hệ thống kinh điển, kể từ thủa sơ khai của kỹ thuật điện tử cho đến
nay nó vẫn giữ nguyên giá trị , đ-ợc tiếp tục phát triển để phục vụ con ng-ời trao
đổi tin tức, số liệu, hình ảnh Ngày nay ta thấy có thể nối mạng thông tin viễn
thông, mạng internet trên toàn cầu để phục vụ trao đổi một l-ợng thông tin khổng
lồ trong mọi lĩnh vực chính trị, đời sống văn hoá, kinh tế, nghiên cứu khoa học,
quân sự
Hình 1.5 là sơ đồ khối tổng quát của một hệ thống thông tin quảng bá.
Nguồn tin tức (mệnh lệnh, bài ca, hình ảnh ) qua thiết bị biến đổi đ-ợc biến đổi
thành tín hiệu điện tần số thấp. Ta gọi tín hiệu này là tín hiệu sơ cấp. Muốn
truyền đ-ợc tín hiệu sơ cấp đi cần phải có đối t-ợng truyền. Trong kỹ thuật vô

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
của tín hiệu sơ cấp,gọi là quá trình điều chế(modulation). Sản phẩm của quá trình
điều chế là dao động cao tần biến điệu theo dạng tín hiệu sơ cấp,gọi là tín hiệu đã
đ-ợc điều chế hoặc tín hiệu vô tuyến điện(tín hiệu VTĐ). Tín hiệu này đ-ợc
khuếch đại cho đủ lớn để phát vào môi tr-ờng truyền tin. Môi tr-ờng là không
gian thì thông tin là vô tuyến điện, môi tr-ờng là đ-ờng dây - thông tin hữu tuyến
điện.
ở môi tr-ờng truyền tin ngoài tín hiệu còn có các dao động điện từ khác ta
gọi chung là nhiễu. Tại máy thu tín hiệu cần thu có tần số tín hiệu hữu ích f
th
từ
ăng ten hoặc đ-ờng dây đ-a đến mạch vào để loại bớt nhiễu rồi vào khuếch đại
cao tần. Khuếch đại cao tần chỉ khuếch đại khoảng d-ới chục lần rồi đ-a vào bộ
16
trộn để trộn với dao động nội bộ tần số f
ng
( còn gọi là dao động ngoại sai), để lấy
ra tần số trung gian (trung tần f
tt
- th-ờng f
tt
= f
ng

tức từ tín hiệu vô tuyến.

-Đặc điểm thứ ba là: trong môi tr-ờng 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 đ-ợc lựa chọn tối -u :vấn đề dạng điều
chế, công suất phát, tần số phát, khoảng cách và môi tr-ờng truyền tin, chất l-ợng
máy thu ,giá thành sản phẩm
1.3.2.Hệ thống đo l-ờng điện tử:
Đại đa số các đại l-ợng vật lý cần đo trong mọi ngành kỹ thuật ( đo nhiệt độ,
độ ẩm, tốc độ chuyển động vật thể, tốc độ vòng quay, nồng độ hạt, nồng độ dung
dịch,theo dõi nhịp tim ) ngày nay th-ờng là thiết bị đo điện tử.
Sơ đồ khối rút gọn của thiết bị đo điện tử có dạng nh- ở hình 1.6
Bộ biến đổi
đầu vào(các bộ
cảm nhận-còn
gọi là senser hay
datchic) có
nhiệm vụ biến
đổi tham số của
Hình 1.6. Sơ đồ khối hệ thống đo l-ờng điện tử
Đại l-ợng
cần đo-
nguồn tin
Gia công
tín hiệu
Thiết bị
hiển thị

những ch-ơng trình đã đ-ợc 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 đ-ợc 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 đ-ờng
tín hiệu ng-ợc 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 t-ợng cần theo dõi ( ví dụ nh- lò nung ) đ-ợc biến đổi
thành tín hiệu điện U
x
thông qua bộ biến đổi rồi đ-ợc 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
và
U
ch
đ-ợc so sánh một mức nhiệt độ nhất định) . Tại bộ so sánh , hai tín hiệu U
x
và
U
ch
đ-ợc so sánh với nhau để cho ra kết quả:
t
0
x
t
0
x

chuẩn) .
-Nếu độ sai lệch khác0và có giá trị d-ơng 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 đ-ợc khuếch đại và
tác động vào cơ cấu chấp hành điều chỉnh t
0
x
theo h-ớng giảm để đạt đ-ợc U =
0.
- Nếu độ sai lệch có giá trị âm, tức là
U = U
x
- U
ch
< 0 thì quá trình diễn ra
sẽ ng-ợc lại
Qua ví dụ trên ta thấy một hệ thống điện tử tự động điều chỉnh có các đặc
điểm sau:
Thứ nhất:luôn xảy ra quá trình thông tin hai chiều với sự tham gia của một
hoặc nhiều vòng phản hồi để liên tục theo dõi đối t-ợng nhằm ổn định một hoặc

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 t-ơng 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 đ-ợc 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 tr-ờng hợp đơn giản ta với tín hiệu sơ cấp u

(t) là một dao động
hình sin đơn âm (là một tần số âm thanh) và cũng chỉ xét với 1 chu kỳ tồn tại của
nó nh- đồ thị hình 1.8a.
u

(t)=U

m
cos (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
thuộc vào mạch điều biên);

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 d-ới có tần số góc (


)tcos(U)t(u
thì
thực hiện các biến đổi toán học t-ơng 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)
i
i
mm
2
với 0 m 1
Theo biểu thức trên thì
phổ của nó sẽ gồm sóng mang
, một dải biên trên là
[

o
+(
min

max
)] và một dải
biên d-ới[

o
-(
min

max
)]
,đ-ợc biểu diễn t-ợng tr-ng
nh- ở hình 1.9b . Lúc đó bề
rộng của phổ tín hiệu điều biên
là :

đb

(t) =[20+ 6,6 cos (2.1000t)+10
cos (2
.3000t)+16 cos (2.5000t)]
.cos(2.10
6
t) [V]
Biểu thức này cho ta thấy :
Sóng mang có tần số

0
=
2
.10
6
rad/s tức f
0
=10
6
Hz=1 Mhz và
có biên độ là U
0m
=20 Von
Tín hiệu sơ cấp u

(t) có ba thành phần tần số


1
=2.1000 rad/s hay F
1

1
cos(2.1000t)+m
2
cos (2.3000t)+m
3
cos (2.5000t)]
U
om

2
0m
Umb

2
0m
Umb
a)


o
-
o

o
+
b)
o

6
+10
3
10
6
-10
3
10
6
-5.10
3
10
6
-3.10
3
10
6
+5.10
3
10
6
+3.10
3
21


cos(2.10
6
t) [V]
Tức các chỉ số điều biên thành phần là m

dt)t()t(;
dt
)t(
)t(
.
Tín hiệu điều tần có tần số biến thiên theo quy luật của tín hiệu sơ cấp, tức
là nếu

o
là tần số của sóng mang thì tần số của tín hiệu điều tần sẽ là :
=
o
+ h.u

(t).
Biểu thức của tín hiệu điều tần sẽ có dạng:
u
đt
(t) = U
0m
cos(t) = U
0m
cos[
0
t + h )(tu

dt+
0
].
Trong tr-ờng hợp u

t
o
m
m
m
dt
u
(1.18)
Trong đó m
đt
=

m
hU
là độ sâu hoặc chỉ số điều tần,th-ờng m
đt
>>1.
Hình 1.11b biểu diễn đồ thị của một dao động điều tần khi tín hiệu điều
chế là đơn âm (h
1
.11a).Tín hiệu điều tần hình 1.10.b có tần số(hay chu kỳ ) biến
thiên theo giá trị tức thời của tín hiệu hình 1.10.a
Biểu thức của tín hiệu
điều pha có dạng :u
đf
= U
0m
cos[
0
t + h.u

đf
= hU

m
gọi là độ sâu hoặc
chỉ số điều pha. Ta biết rằng tần số và pha có
quan hệ chặt chẽ với nhau nên điều pha sẽ làm
cho tần số biến thiên và ng-ợc lại điều tần làm
cho pha biến thiên.
Nh- vậy, ở tín hiệu điều tần và điều pha
thì tin tức nằm trong sự biến thiên của tần số và
pha của tín hiệu đã đ-ợc điều chế.

22
Cuối cùng cần nhấn mạnh thêm một đặc điểm quan trọng của các tín hiệu
điều chế là :
ở tín hiệu điều biên công suất của nó phụ thuộc vào độ sâu điều chế, còn ở
tín hiệu điều tần thì độ sâu điều chế không quyết định công suất. Nghĩa là ở tín
hiệu
điều tần khi có điều chế cực đại hoặc không có điều chế công suất vẫn
nh- nhau.Tuy nhiên có sự phân bố lại năng l-ợng giữa các thành phần tần số
trong quá trình điều chế.
1.5.phân loại sóng vô tuyến điện theo tần số và đặc điểm
của quá trình truyền sóng
1.5.1.Phân loại sóng vô tuyến điện.
Tín hiệu vô tuyến đ-ợc phân loại nh- 1.2
Bảng phân loại sóng vô tuyến điện Bảng 1.2
Số Dải Sóng B-ớc
sóng
Tần số Lĩnh vực

Sóng met
Sóng
đêximet
Sóng
centimet
Sóng
milimet
(100
10)K
m
10km
1km
1km100m
100m
10m
10 1m
1m
1dm
10 1cm
10
1mm
3 30 Khz
30
300Khz
300khz
3
Mhz
3
30 Mhz
30 300Mhz

3
Hz, Mhz = 10
6
Hz, Ghz =10
9
Hz , Thz = 10
12
Hz. Độ dài b-ớc sóng và tần số liên hệ với nhau theo công thức:

[m] =
]Mhz[f]hz[f
300000000300

(1.21)
Sóng vô tuyến nằm trong các dải tần số khác nhau có những đặc điểm khác
nhau và cũng đ-ợc ứng dụng với các mục đích khác nhau.
1.5.2.Cấu tạo của môi tr-ờng truyền sóng.
Môi tr-ờng truyền sóng là không gian bao quanh trái đất, tức là bầu khí
quyển của trái đất. Lớp khí quyển có độ cao tính từ mặt đất khoảng 2000

3000km, trong đó chứa các hỗn hợp khí chủ yếu là Nitơ, hyđrô, ôxy và hơi n-ớc.
Khí quyển đ-ợc chia thành nhiều tầng, trong đó mỗi tầng ảnh h-ởng đến quá
trình truyền sóng khác nhau.Các tầng theo thứ tự là:
Tầng đối l-u: Là tầng khí quyển thấp nhất có chứa đủ các thành phần khí
nêu trên. Tầng này có độ cao từ 10
18km
Tầng bình l-u: Tầng bình l-u nằm trên tầng đối l-u, thành phần chủ yếu
của nó là hơi n-ớc và hầu nh- nó không ảnh h-ởng đến quá trình truyền sóng vô
tuyến điện.
Tầng điện ly: Tầng điện ly nằm trên tầng bình l-u nó đóng vai trò quyết

+Sóng dài ít bị mặt đất hấp thụ và có khả năng uốn cong theo hình dáng bề
mặt của trái đất, vì vậy ng-ời ta th-ờng dùng sóng đất để truyền sóng dài.Đặc
biệt ở những vùng hàn đới, ôn đới việc truyền sóng đất rất ổn định nên có thể
dùng cho mục đích thông tin, phát thanh. Sóng có thể truyền xa tới 3000km. Tuy
nhiên nh-ợc điểm của cách truyền sóng này là công suất phải lớn, ăng ten thu-
phát phải cao.
+ Sóng trung có thể truyền theo hai cách: Hoặc sóng đất hoặc sóng điện ly (
còn gọi là sóng trời ). Ban ngày sóng trung đ-ợc truyền bằng sóng đất, b-ớc sóng
càng dài thì khoảng cách truyền càng xa ( có thể truyền đạt tơí 3000km). Ban
ngày không truyền theo sóng điện ly vì tồn tại lớp D có khả năng hấp thụ sóng
trung rất mạnh, b-ớc sóng càng dài thì sự hấp thụ sóng càng tăng. Ban đêm
không có lớp D nên sóng trung có thể truyền bằng cả sóng đất và sóng trời. Sóng
điện ly có cự ly truyền rất lớn nên về đêm sóng trung có khả năng truyền đi rất
xa.
+ Sóng ngắn đ-ợc truyền chủ yếu bằng sóng điện ly. Nếu chọn b-ớc sóng
thích hợp thì sóng sẽ phản xạ từ tầng điện ly, phần bị tầng điện ly hấp thụ là
không đáng kể nên sóng sẽ phản xạ nhiều lần giữa tầng điện ly và bề mặt trái đất.
Do vậy, ta có thể thực hiện đ-ợc thông tin giữa hai điểm bất kỳ của trái đất nếu ta
chọn b-ớc sóng thích hợp.
B-ớc sóng thích hợp là b-ớc sóng nhỏ hơn b-ớc sóng giới hạn

gh
( <
gh
).
Nếu chọn b-ớc sóng lớn hơn b-ớc sóng giới hạn thì sẽ phản xạ kém từ tầng điện
ly, còn nếu chọn lớn hơn quá nhiều thì sóng sẽ không phản xạ từ tầng điện ly.
B-ớc sóng giới hạn

gh

Satellite dish
1
2
3
4
Hình1.12.Các dạng đ-ờng truyền sóng
4
4
3
3
3
25
ngẫu nhiên. Hiện t-ợng đó ng-ời ta gọi là hiện t-ợng pha đinh. Hiện t-ợng pha
đinh là nh-ợc điểm chính của sóng điện ly.
+ Sóng cực ngắn không phản xạ từ tầng điện ly mà cũng không uốn cong
theo bề mặt của trái đất nên chỉ có thể truyền thẳng. Nghĩa là điểm thu và điểm
phát (đỉnh ăng ten ) phải nhìn thấy nhau. Vì mặt của trái đất cong nên thực tế
thông tin chỉ thực hiện đ-ợc ở cự ly 50
60 Km. Muốn truyền đ-ợc xa hơn phải
chuyển tiếp trung gian qua các trạm ở mặt đất hoặc vệ tinh địa tĩnh.
1.6 .Sơ l-ợc về lọc tần số :
Khi phân tích các loại tín hiệu ta thấy có loại phổ của nó gồm hữu hạn các
thành phần tần số (ví dụ tín hiệu điều biên AM) hoặc có các loại phổ là vô số các
thành phần tần số nh-ng năng l-ợng chủ yếu vẫn tập trung trong một dải tần số
hạn hẹp (ví dụ tín hiệu điều tần FM).
Một trong những công việc quan trọng trong quá trình xử lý tín hiệu trong
các máy điện tử là lọc lấy tần số hữu ích, loại bỏ các tần số có hại. Chức năng đó
đ-ợc thực hiện bởi các mạch lọc điện hay đơn giản gọi là các mạch lọc.
1.6.1. Khung cộng h-ởng đơn .
a.Khung cộng h-ởng nối tiếp .

đúng vào
lúc tụ C vừa phóng hết,
nghĩa là toàn bộ năng l-ợng tụ C đ-ợc chuyển sang điện cảm L. Năng l-ợng từ
tr-ờng của điện cảm lúc này là cực đại có giá trị : W
L
=
2
2
max
I
L

Tiếp tới là điện cảm phóng điện bằng dòng i
L
giảm dần cho đến khi tụ C có
điện áp U
cmax
nh-ng có dấu ng-ợc với dấu khởi đầu. Quá trình phóng nạp qua lại
L
C
E
R
L
1 2
C
Hình 1.13 .a)Khung cộng h-ởng có tổn hao
b)Khung cộng h-ởng lý t-ởng
+
_
26

L
(t) = I
lm
sin2f
r
t

(1.24)
U
Cm
, I
Lm
là biên độ của điện
áp uc(t) và dòng điện i
C
(t)=i
L
(t).
Đồ thị biểu diễn độ biến thiên của
điện áp (1.23) và dòng điện (1.24)
trên hình 1.14
Tần số f
r
trong (1.23)và
(1.24) là tần số cộng h-ởng của
khung dao động LC. Nghịch đảo
của f
r
là chu kỳ T của dao động, đó là thời gian từ lúc bắt đầu phóng cho đến lúc
nạp lại giá trị ban đầu của điện dung hoặc điện cảm. Nh- vậy chu kỳ T hoặc tần

C
=
1

C
có dạng nh- ở hình
1.15 .
X
P k
= X
L
- X
C
là thành phần phản kháng của khung cộng h-ởng. Khi tần số nhỏ
hơn tần số cộng h-ởng

r
mạch mang tính dung kháng, khi lớn hơn tần số cộng
h-ởng mạch mang tính cảm kháng. Với khung cộng h-ởng ngoài các thông số

r
,
f
r
, T còn đặc tr-ng bởi các thông số quan trọng sau đây:
- Trở kháng sóng
bằng tỷ số
của điện áp trên C và dòng điện qua
L,tìm từ trị số bằng nhau của năng
l-ợng cực đại đ-ợc nạp trên L và C :


Hình 1.14.Điện áp và dòng diện hình sin
XL
XC
r


0
Hình1.15.Trở kháng của L và C
Xpk
t
u
c ic
27
(r = 0), các dao động kéo dài vô tận. Trong mạch thực có điện trở tổn hao r , các
dao động sẽ tắt dần và tắt càng nhanh khi trị số của r càng lớn.
Đối với các khung cộng h-ởng có điện trở tổn hao r
0,ng-ời ta đ-a ra khái
niệm
hệ sốphẩm chất Q:
Q =
r

(1.27)
Có thể chứng minh rằng lúc này dòng điện trong mạch sẽ biến thiên theo
quy luật hình sin tắt dần :
i
L
(t) = I
Lm

2
r
2
r
2
r
2
2
rr
2
r
1
C
L
4
r
1LC
L2
r
1
L2
r









2
, tức
là Q
0,5.
Th-ờng sử dụng khung dao động có hệ số phẩm chất Q nằm trong
khoảng: 10
20 < Q < 200 300
Đôi khi ng-ời ta sử dụng khái niệm hệ số tổn hao d=1/Q để đánh giá chất
l-ợng của khung cộng h-ởng.
Chế độ xét trên là chế độ dao động tự do trong mạch RLC nối tiếp. Trong
thực tế th-ờng sử dụng chế độ dao động c-ỡng bức: khung dao động đ-ợc nuôi
bởi nguồn suất điện động hình sin, có tần số xấp xỉ tần số cộng h-ởng

r
của
khung dao động (hình 1.17). Nếu nguồn mắc nối tiếp với L và C thì khung
cộng h-ởng gọi là nối tiếp. Lúc này biên độ của dòng điện sẽ là:
2
1
2








r
) = I
m
(
r
).
r
L = U
ngm
.Q; U
mC
(
r
) = I
m .
C
1
r
= U
ng m
.Q
Nh- vậy khi
=
r
, biên độ điện áp trên L và C bằng nhau và gấp Q lần
biên độ điện áp đặt vào mạch, ta nói rằng mạch ở trạng thái cộng h-ởng.
Dòng điện trong mạch tần số
có biên độ phụ thuộc vào tần số nh- sau:



2
2
2
11
1
1
r
rm
m
Q
c
Lr
r
I
I

2
2
rr
2


Q1
1

















(1.30)
Quan hệ (1.30) cho ta đặc tính biên độ tần số hay đặc tính chọn lọc của
khung cộng h-ởng. (hình 1.18) .
Tính chất chọn lọc, tức là khả năng làm yếu tín hiệu có tần số lệch khỏi tần số
cộng h-ởng, đ-ợc đặc tr-ng bởi dải thông và hệ số chữ nhật.
Dải thông 2

0,7
là dải tần số ứng với
mức giảm
2 =0,707 lần của đặc tính chọn
lọc so với giá trị cực đại. ( Hình 1.18) :

0,7
=
1
-
-1
.
Theo định nghĩa thì từ (1.30) ta có:

Hình 1.16 dòng điện i
L
(t) tắt dần
C
u
ng
(t)
L

r
Hình 1.17Khung cộng
h-ởng nối tiếp

7070
2
1
,



29
Từ đó ta có:


0,7
=
Q
r

(1.31)















arctgQ
r
C

1
L

r
r
(1.32)
Khi tần số đang xét ở lân cận tần số cộng h-ởng thì

z
() arc tg(2Q.
r


Z= Q., tức là cũnggiống nh- khung cộng h-ởng
nối tiếp khi cộng h-ởng tổng trở là thuần trở. Nh-ng khác vớikhung cộng h-ởng
nối tiếp, ở đó khi cộng h-ởng tổng trở có trị số bằng r nhỏ , ở khung cộng h-ởng
song song, trở kháng cộng h-ởng rất lớn, nếu r =0 thì nó bằng
.
Điện áp trên khung cộng h-ởng : I
ng m
Z ; điện áp khi cộng h-ởng là
I
ngm
(
r
). Z(
r
). T-ơng tự nh- ở khung cộng h-ởng nối tiếp, ở đây đặc tính
biên độ tần số là:




2
2
2
1
1






1.6.2.Khung cộng h-ởng ghép
Để cải thiện đặc tính chọn lọc của khung cộng h-ởng-đạt đ-ợc hệ số phẩm
chất tốt hơn ,khi lọc tín hiệu ng-ời ta ghép hai khung cộng hửơng đơn với nhau
qua hỗ cảm hoặc điện dung. Th-ờng sử dụng mạch ghép qua hỗ cảm(biến áp),
ghép điện dung ngoài hoặc điện dung trong t-ơng ứng nh- hình 1.20a,b,c.
Trong các mạch ghép
đặc tính tần số của mạch
không phụ thuộc vào dạng
ghép mà chỉ phụ thuộc vào
đại l-ợng ghép ( hệ số ghép ).
Vì vậy,để tiện ta xét hai
khung cộng h-ởng nối tiếp
ghép qua hỗ cảm ( biến áp ) nh- ở hình 1.21
D-ới tác động của nguồn suất điện động E(
) ở khung dao động thứ nhất
sẽ có dòng I
1
,dòng này gây nên từ thông móc vòng sang cuộn L
2
, tạo nên suất
điện động hỗ cảm:
E
12
= - jM I
1
= - X
gh
I
1
.

2
1
21
Z
X
Z
I
I
I
I
ghghgh
.
.
.
.
.
.







(1.36)
T-ơng tự
Z
TH 12
=
1

xr
x
j
xr
r
ghgh





Th-ờng C
1
= C
2
= C ; L
1
= L
2
= L ; r
1
= r
2
= r ; lúc đó M = k.L k =
L
M
;
X
1
= X

LC
1
;

1,2
=
k
r


1
Ta cũng chuẩn hóa dòng I
2m
() theo I
2m
(
r
) ta có :

2
2
22
2
2
41
1


trị(

gh
> 1- một cực tiểu, hai cực đại). Khi
gh
= 1 ( gọi là ghép tới hạn ) thì
tính chọn lọc của đ-ờng cong là bằng phẳng hơn cả. Th-ờng hiệu chỉnh ghép để
đạt

gh
lớn hơn 1 một chút hoặc bằng 1.
Khi so sánh với khung
cộng h-ởng đơn có cùng
dải thông ng-ời ta thấy
rằng hệ số chữ nhật của
khung cộng h-ởng đơn là
9,95 thì khung cộng
h-ởng ghép là 3,15. Rõ
ràng khung cộng h-ởng
ghép có tính chọn lọc tốt
hơn.
3. Mạch lọc tập trung;
Để tăng độ chọn lọc hơn nữa của mạch ng-ời ta th-ờng ghép nhiều khung
cộng h-ởng song song qua điện dung nh- hình (1.23) để tạo thành mạch lọc gọi
là mạch lọc tập trung. Mạch lọc nh- vậy có đặc tính biên độ tần số gần giống nh-
một hình chữ nhật.
Hình 1.21 Hai khung cộng h-ởng ghép hỗ cảm
kQ=1 kQ<1
kết quả>1
Hình 1.22 Đặc tính tần số của mạch giao động ghép

cỡ và cách cắt khối thạch anh, C
P -
điện dung giá đỡ.
Theo sơ đồ t-ơng đ-ơng hình 1.24b thì thạch anh có hai tần số cộng h-ởng
đ-ợc xác định từ biểu thức tổng trở phức:
Z =
0
0
0
ZZ
Z.Z
Z//Z
q
q
q


(1.40)
Z
0
=
0
1
Cj
Z
q
= r
q
+jL
q

P
:
0
0
1
0
2
1
2
1
C
C
f
CC
CC
L
f
CL
f
q
q
qp
q
q
p
qq
q




Cq
Lq
rq
b)
c)
33
Ví dụ ta xét thạch anh 4Mhz với các tham số L
q
= 0,22H, C
q
= 0,0072 pF
;r
q
= 23 , C
0
= 10,3 pF.Xác định các tần số theo (6.37) sẽ đ-ợc f
q
= 3998918Hz
= 3,998918MHz.f
p
= 4000315Hz= 4,000315MHz . Khoảng cách giữa hai tần
số là
f =f
P
- f
q
= 1397Hz
Nh- vậy trong khoảng tần số rất hẹp thạch anh t-ơng đ-ơng với một điện
cảm.
Hệ số phẩm chất Q=.

động điện. Khi đã đi đ-ợc một đoạn nào đó, năng l-ợng của sóng âm bề mặt
đ-ợc biến đổi thành các dao động điện nhờ các cực điện đặc biệt.
ở đây quá
trình biến đổi sóng âm thanh thành dao động điện và ng-ợc lại phụ thuộc vào
đặc tính của vật liệu áp điện, vào cấu tạo và vị trí t-ơng đối của các điện cực. Ưu
điểm của các mạch lọc SAW là độ dẫn cao, các tham số ổn định và kích th-ớc
gọn nhẹ. Mạch lọc loại này có thể làm việc ở giải tần số 10
100 Mhz hoặc cao
hơn với tỷ số của giải thông trên tần số trung tâm từ 0,01 đến 100%
Khi sử dụng các mạch lọc tập trung cần đảm bảo phối hợp trở kháng cả
đầu vào lẫn đầu ra. Nếu không đảm bảo phối hợp trở kháng thì đặc tính biên độ
tần số sẽ bị méo ( méo biên độ ), đặc biệt là ở ngoài giải thông .
1.6.3.Mạch lọc RC.
Nếu sử dụng các mạch lọc LC ở tần số thấp thì trị số các điện cảm sẽ
lớn, kích th-ớc các cuộn cảm lớn, mạch sẽ cồng kềnh.
ở tần số thấp nên sử dụng
X
f
q
f
p
f

Hình 1.25.Đặc tính phản
kháng của thạch anh